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INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
RODRIGO RICART SANTORO
IMPACTO DAS REDES SEM FIO (WLANS) NAS REDES MÓVEIS
CELULARES
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de
Mestrado em Engenharia Elétrica do Instituto Militar de
Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do
título de Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Mauro Soares de Assis – Notório
Saber.
Rio de Janeiro
2005
c2005
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha
Rio de Janeiro - RJ
CEP: 22290-270
Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluílo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer
forma de arquivamento.
É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre
bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que
esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações,
desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica
completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e
do(s) orientador(es).
S237
Santoro, Rodrigo Ricart.
IMPACTO DAS REDES SEM FIO (WLANS)
NAS REDES MÓVEIS CELULARES / Rodrigo Ricart Santoro.
- Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia,
2005.
151p.: il., Graf., tab.
Dissertação (mestrado) – Instituto Militar de
Engenharia – Rio de Janeiro, 2005.
1. Telefonia Celular. 2. Redes Móveis.
I. Título. II. Instituto Militar de Engenharia.
CDD 621.38456
2
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
RODRIGO RICART SANTORO
IMPACTO DAS REDES SEM FIO (WLANS) NAS REDES MÓVEIS
CELULARES
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia
Elétrica do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do
título de Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Mauro Soares de Assis – Notório Saber.
Aprovada em 21 de Dezembro de 2005 pela seguinte Banca Examinadora:
_______________________________________________________________
Prof. Mauro Soares de Assis – Notório Saber
_______________________________________________________________
Prof Maj. Mauricio Henrique Dias – D.C. do IME
_______________________________________________________________
Prof Luiz Alencar da Silva Mello – D.C. da PUC
Rio de Janeiro
2005
3
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador, Prof. Mauro Soares de Assis, pela atenção e
profissionalismo com que acompanhou a realização deste trabalho e, sobretudo,
pela grande amizade e incentivo que muito contribuíram para que eu o concluísse
com êxito.
Aos meus amigos e colegas de pesquisa, pelo apoio e pelo convívio amigável
durante a minha estadia neste Instituto que é um verdadeiro valhacouto do saber.
A todos os professores e funcionários da Seção de Engenharia Elétrica do
Instituto Militar de Engenharia, especialmente à Lourdes, que contribuíram, de várias
formas, para a realização deste trabalho de pesquisa.
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES),
pelo apoio financeiro.
Especialmente à minha mãe, e em memória de meu pai, que foram
verdadeiras fontes de apoio e de inspiração para mim.
Agradeço também especialmente a Deus que me proporcionou esta
grandiosa e fortuita passagem pelo Instituto Militar de Engenharia.
4
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES.........................................................................................09
LISTA DE TABELAS..................................................................................................11
1.
INTRODUÇÃO.............................................................................................14
1.1.
Introdução Histórica......................................................................................14
1.2.
Motivação e Objetivo do Trabalho................................................................19
1.3.
Organização da Dissertação.........................................................................20
1.4.
Aspectos Físicos das Redes Móveis Celulares............................................21
1.5.
Conceitos de propagação para ambientes celulares....................................24
1.5.1.
Propagação Multipercurso em pequena escala............................................25
1.5.2.
Fatores que influenciam no desvanecimento em pequena escala...............26
1.5.3.
Tipos de desvanecimento em pequena escala.............................................27
1.5.4.
Desvanecimento em pequena escala baseado em Espalhamento
Doppler.........................................................................................................28
1.6.
AMPS (Advanced Mobile Phone System)……………………………………..29
1.7.
D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System)…………………………..31
1.7.1.
IS – 54….………………………………………………………………………….31
1.7.2.
IS – 136.………………………………………………………………………......32
2.
SISTEMA GSM......................................................................................…...34
2.1.
Estação Móvel (EM)......................................................................................34
2.2.
Subsistema de Estação Base (BSS)............................................................35
2.3.
Mobile-services Switching Center (MSC).....................................................35
2.4.
Home Location Register (HLR).....................................................................36
2.5.
Visitor Location Register (VLR)…………………………………………………36
2.6.
Authentication Center (AUC)…………………………………...……………….37
2.7.
Equipment Identity Register (EIR)………………………………………………37
2.8.
Operational and Maintenance Center (OMC)………………….……………..37
2.9.
Características da Interface aérea no GSM.................................................38
2.10.
Canalização..................................................................................................38
5
2.11.
Modulação....................................................................................................39
2.12.
Capacidade do GSM.....................................................................................39
2.13.
Serviços Oferecidos no GSM........................................................................40
2.13.1. Bearer Services............................................................................................40
2.13.2. Teleservices..................................................................................................41
2.13.3. Serviços suplementares................................................................................41
2.13.4. Serviços de Localização...............................................................................41
2.14.
GPRS – General Packet Radio Service………………………….…………….42
2.14.1. Cobertura GSM/GPRS no Mundo.................................................................44
2.15.
EDGE – Enhanced Datarates for GSM Evolution……………….……………47
2.15.1. Cobertura do EDGE no Mundo.....................................................................49
3.
SISTEMA IS-95............................................................................................51
3.1.
Espalhamento Espectral do enlace direto....................................................53
3.2.
Caracterização dos canais do enlace direto.................................................54
3.3.
Espalhamento Espectral do enlace reverso.................................................56
3.4.
Caracterização dos canais do enlace reverso..............................................57
3.5.
Modulação....................................................................................................59
3.6.
Processamento de chamadas no sistema IS-95..........................................60
3.7.
Tipos de Handoffs do CDMA……………………………………………………62
3.7.1.
Soft Handoff…………………………………………………………….…………62
3.7.2.
Hard Handoff……………………………………………………………...………63
3.8.
Controle de potência do sistema CDMA.......................................................64
3.9.
Cobertura CDMA..........................................................................................65
4.
IMT-2000 – OS SISTEMAS DE TERCEIRA GERAÇÃO CELULAR...........67
4.1.
Sistema WCDMA ou UMTS..........................................................................69
4.1.1.
Principais características da parte física a rede UMTS................................70
4.1.2.
Arquitetura básica da rede UMTS.................................................................71
4.1.3.
RNC-Radio Network Controller…………………………………………………72
4.1.3.1. SRNC - Servidor RNC……………………………………………………………72
4.1.3.2. DRNC - Drift RNC……………………………………………………………...…73
4.1.4.
Taxa de transmissão do enlace reverso do WCDMA...................................74
6
4.1.5.
Taxa de transmissão do enlace direto do WCDMA......................................75
4.1.6.
Cobertura atual do WCDMA no Mundo........................................................76
4.2.
Sistema CDMA 2000....................................................................................77
4.2.1.
CDMA 2000 1x..............................................................................................78
4.2.2.
CDMA 2000 1xEV ou HDR (High Data Rate)...............................................79
4.2.3.
Visão geral do sistema..................................................................................80
4.2.4.
Enlace direto – Taxas do canal F-FCH, N=1, RS1.......................................83
4.2.5.
Enlace direto – Taxas do canal F-SCH, N=1, RS1 e RS2............................84
4.2.6.
Enlace reverso – Taxas do canal R-FCH, N=1, RS1 e RS2.........................85
4.2.7.
Cobertura CDMA 2000.................................................................................87
5.
SISTEMA WLAN..........................................................................................88
5.1.
O começo da WLAN no Mundo....................................................................90
5.2.
Aplicações no mercado privado das WLANs................................................91
5.3.
Aplicações no mercado público das WLANS (PWLAN)...............................93
5.4.
As faixas para WLAN ou PWLAN.................................................................93
5.5.
WLAN em 900MHz.......................................................................................94
5.6.
WLAN em 2.4GHz........................................................................................95
5.7.
WLAN em 5GHz...........................................................................................98
5.8.
Resumo dos padrões pra WLAN..................................................................99
5.9.
Os sistemas wireless e suas reais aplicações..............................................99
5.10.
Tecnologia ponto-a-ponto sem fio..............................................................100
5.11.
Estrutura de WLAN utilizando Ponto de Acesso (AP)................................101
5.12.
Tipos de configurações...............................................................................103
5.12.1. Topologia unicelular....................................................................................103
5.12.2. Topologia com superposição celular..........................................................103
5.12.3. Topologia multicelular.................................................................................104
5.12.4. Topologia com múltiplo salto (MULTI-HOP)...............................................105
5.13.
Interferências Intersistêmicas.....................................................................106
5.14.
Técnicas de redução de interferências em ambiente WLAN......................108
5.15.
Aspectos de tráfego nas WLANs................................................................109
5.16.
Cobertura WLAN.........................................................................................110
7
6.
CONVERGÊNCIA ENTRE REDES MÓVEIS CELULARES E WLANs
(REDES HÍBRIDAS)...................................................................................111
6.1.
Categorias de serviços para as redes celulares e WLANs.........................113
6.2.
Análise entre cobertura e capacidade........................................................115
6.3.
Proposta de utilização.................................................................................117
6.4.
Propostas de Handoff para a convergência................................................119
6.4.1.
Análise da convergência por parte das sem...............................................119
6.4.2.
Análise da convergência pelo aspecto físico da rede.................................124
7.
ESTUDO DE CASOS.................................................................................127
7.1.
Caso 1 – Convergência entre redes GSM/GPRS/EDGE e WLANs...........127
7.2.
Caso 2 – Convergência entre redes CDMA 2000 e WLANs......................129
7.3.
Considerações adicionais...........................................................................131
8.
CONCLUSÃO.............................................................................................132
9.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................135
A.
APÊNDICES...............................................................................................137
A.1.
Perspectivas das redes sem fio para as gerações móveis seguintes.........138
A .1.1. WIMAX - IEEE-802.16…………………………………………...................…139
A.1.2.
WIMAX – Fórum………………………………………………………………...140
A.1.3.
Expectativas do WIMAX.............................................................................141
A .1.4. Previsão de Espectro para o WIMAX ........................................................142
A .2.
Expectativas para a 4G...............................................................................144
A .2.1. UWB............................................................................................................145
A .2.2. Técnica MIMO (Multiple Input Multiple Output)...........................................147
A .2.3. Antenas Inteligentes (Smart Antennas)......................................................147
A .2.4. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).........................…....148
GLOSSÁRIO – TERMOS TÉCNICOS E EXPRESSÕES USADAS........................150
8
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIG. 1.1 Estrutura básica das redes móveis............................................................22
FIG. 1.2 Estrutura de rede híbrida............................................................................24
FIG. 1.3 Efeito multipercurso....................................................................................29
FIG. 2.1 Arquitetura de rede GSM...........................................................................34
FIG. 2.2 Esquema parte fixa da rede GSM..............................................................41
FIG. 2.3 Estrutura de rede GSM com suporte e serviço GPRS...............................43
FIG. 2.4 Mapa de cobertura do sistema GSM/GPRS na Europa.............................44
FIG. 2.5 Mapa de cobertura do sistema GSM/GPRS na América do Norte e
Central........................................................................................................45
FIG. 2.6 Mapa de cobertura do sistema GSM/GPRS na Ásia.................................45
FIG. 2.7 Mapa de cobertura do sistema GSM/GPRS na África...............................46
FIG. 2.8 Mapa de cobertura do sistema GSM/GPRS na Oceania...........................46
FIG. 2.9 Mapa de cobertura do sistema GSM/GPRS na América do Sul................47
FIG. 2.10 Compatibilidade GPRS x EDGE na rede GSM..........................................48
FIG. 2.11 Rede EDGE no Mundo...............................................................................49
FIG. 3.1 Conceituação de ortogonalidade e espalhamento espectral.....................52
FIG. 3.2 Matriz de Walsh-Hadamard........................................................................52
FIG. 3.3 Geração de seqüência pseudo-aleatória (PN)...........................................53
FIG. 3.4 Espalhamento no enlace direto..................................................................54
FIG. 3.5 Espalhamento no canal de sincronismo.....................................................55
FIG. 3.6 Espalhamento no canal de paging.............................................................55
FIG. 3.7 Espalhamento no canal de tráfego.............................................................56
FIG. 3.8 Espalhamento no enlace reverso...............................................................57
FIG. 3.9 Espalhamento no canal de acesso............................................................58
FIG. 3.10 Espalhamento no canal de tráfego.............................................................59
FIG. 3.11 Processamento de chamadas do CDMA...................................................60
FIG. 3.12 Controle de potência no CDMA..................................................................64
FIG. 3.13 Penetração Mundial das diversas técnicas móveis....................................66
FIG. 4.1 Panorama das comunicações móveis........................................................68
FIG. 4.2 Comparação entre estrutura de rede GSM e UMTS..................................71
FIG. 4.3 Características da rede UMTS...................................................................72
9
FIG. 4.4 Evolução do CDMA....................................................................................77
FIG. 4.5 CDMA 2000...........................................................................................….80
FIG. 5.1 Redes WLANs…………………………………………………………………..89
FIG. 5.2 Elementos básicos de uma WLAN…………………………………………...90
FIG. 5.3 Aplicação WLAN no mercado corporativo..................................................92
FIG. 5.4 WLANs com entroncamento sem fio entre filiais........................................92
FIG. 5.5 Faixas de freqüências para WLAN no Brasil..............................................94
FIG. 5.6 Espalhamento espectral por salto em freqüência......................................94
FIG. 5.7 Padrões em 2.4GHz...................................................................................97
FIG. 5.8 Configuração ponto-a-ponto.....................................................................101
FIG. 5.9 Estrutura com Ponto de Acesso (AP).......................................................102
FIG. 5.10 Tipos de terminais APs............................................................................102
FIG. 5.11 Estação de trabalho funcionando como AP.............................................102
FIG. 5.12 Topologia unicelular.................................................................................103
FIG. 5.13 Cobertura com superposição celular........................................................104
FIG. 5.14 Topologia multicelular..............................................................................105
FIG. 5.15 Topologia múltiplo salto............................................................................106
FIG. 5.16 Modelo de cobertura................................................................................109
FIG. 6.1 Previsão tecnológica das redes móveis...................................................114
FIG. 6.2 Cobertura x capacidade em ambiente sem fio.........................................116
FIG. 6.3 Previsão sobre integração WLAN com redes móveis e fixa....................117
FIG. 6.4 Exemplificação dos diferentes backbones em convergência...................118
FIG. 6.5 Fluxograma de processos de estabelecimento de conexão e handoff....121
FIG. 6.7 Gerenciamento e controle de handoff entre sistemas pela parte fixa da
rede..........................................................................................................126
FIG. A .1 Perspectiva de futuro nas comunicações móveis sem fio........................138
FIG. A .2 Os padrões WLAN...................................................................................139
FIG. A .3 WIMAX ou IEEE-802.16...........................................................................141
FIG. A .4 Aplicações previstas para o UWB............................................................146
10
LISTAS DE TABELAS
TAB. 2.1 Interface aérea GSM..................................................................................38
TAB. 2.2 Especificação TDMA do sistema GSM......................................................39
TAB. 2.3 Classes de taxas do GPRS........................................................................43
TAB. 2.4 Comparativo entre GPRS e EDGE............................................................48
TAB. 2.5 Classes de taxas EDGE.............................................................................49
TAB. 3.1 Esquema de modulação QPSK utilizada no CDMA...................................59
TAB. 4.1 Taxas do enlace reverso no UMTS............................................................74
TAB. 4.2 Taxa x esquema de modulação no enlace direto.......................................75
TAB. 4.3 CDMA 2000 EV – Cana fundamental no enlace direto..............................83
TAB. 4.4 CDMA 2000 EV – Cana suplementar no enlace direto RS1......................84
TAB. 4.5 CDMA 2000 EV – Cana suplementar no enlace direto RS2......................85
TAB. 4.6 CDMA 2000 EV – Cana fundamental no enlace reverso – RS1................85
TAB. 4.7 CDMA 2000 EV – Cana fundamental no enlace reverso – RS2................86
TAB. 5.1 Padrão IEEE-802.11..................................................................................88
TAB. 5.2 Faixa de 2.4GHz no Mundo.......................................................................97
TAB. 5.3 Padrões WLAN pelo IEEE..........................................................................98
TAB. 5.4 Planejamento de freqüências WLAN.......................................................108
TAB. 5.5 Exemplo de cálculo de capacidade de uma rede WLAN.........................109
TAB. A .1 Especificações WMAN.............................................................................140
TAB. A .2 Espectro WIMAX......................................................................................143
11
RESUMO
Os sistemas de telefonia móvel celular, desde sua primeira aparição, vêm
passando por sucessivas fases de amadurecimento, que precedem os passos a
serem tomados atualmente no seu perfil de evolução. Principalmente a técnica
GSM, que está presente na maioria dos países, devido a suas vantagens funcionais
em relação às outras técnicas concorrentes, busca uma alternativa mais sustentável
para oferecer serviços de dados em altas taxas a seus usuários, sem
necessariamente ter de partir para a implementação custosa e incerta dos sistemas
sucessores de Terceira Geração.
Com o surgimento das poderosas técnicas de Redes Locais Sem Fio
(WLANs), que provêem excelente capacidade na vazão de dados compartilhado
entre vários usuários móveis, estas expectativas de solução alternativa para a
evolução destas redes móveis ficaram ainda mais evidentes, pois funcionam como
o maior incentivo para que as operadoras de telefonia móvel celular, invistam no
aprimoramento de suas redes existentes, para que estas, com as adaptações
necessárias, possam permanecer eficientes ainda por bastante tempo, preservando
o grau de investimento dos operadores, sem prejudicar a qualidade e a expectativa
dos serviços prestados aos seus usuários móveis.
A dissertação baseou-se fundamentalmente neste assunto em evidência
internacional e propõe, através da formalização detalhada de tecnologias móveis
celulares e WLANs, estudos de casos, avaliações técnicas e análises críticas
conclusivas entre as principais redes móveis celulares de segunda e terceira
gerações, funcionando em perfeita harmonia, interoperabilidade e compatibilidade
convergente com as WLANs.
12
ABSTRACT
The Mobile Celullar System, since its first appearence, has been through
sequencial mature fases, that strategically foresees its steps to be taken on the right
way for technical evolution. Mainly the GSM, which is the most popular mobile
system throughout many countries around the world, due to its intrinsecal
advantages among the others mobile technologies services, is seaching for a better
alternative to offer high speed data services to its mobile users, without necessarely
implement the most uncertain and expensive Third Generation System as its
sucessor.
With the powerfull emerging WLAN systems, which provides excellent high
speed data services shared between several real time users, those expectations of
alternative evolution for the mobile networks became even more concrete, because it
showed as a greater incentive for the Mobile System Operators to softly invest on the
improvement of the actual mobile network to make it work with total interoperability
with WLANs, in order to provide better data rates and meets customers satisfaction
for the services available.
This dissertation is fundamentally based on this evident subject and propose,
throughout its detailed development of the envolved technologies, killer applications,
technical evaluations and critical/conclusive views about the second and third mobile
generation, working in perfect harmony, interoperability and convergent compatibility
with Wireless Local Area Networks (WLANs).
13
1. INTRODUÇÃO
1.1. INTRODUÇÃO HISTÓRICA
Na década de 80, com a abertura dos mercados mundiais, o Mundo
representado principalmente pelas grandes potências econômicas da época,
encontrava-se em franca adaptação, devido às novas tendências da era da
Globalização que emergiam. Concorrente a esta realidade e devido à propulsão de
alguns países ricos para a conquista de novos mercados consumidores, a área de
telecomunicações não podia deixar de ser igualmente aprimorada, pois sem o seu
desenvolvimento, as relações comerciais não iriam corresponder às expectativas da
nova era que surgia.
Começou então a corrida tecnológica que abrangia todos os segmentos:
enlaces em Rádio-Freqüência, Óptico, Satélite etc. Os enlaces de microondas
começaram a ser utilizados em grande escala para uso comercial, devido a fácil
instalação, ao baixo custo de implementação e à possibilidade de atingir razoável
alcance, facilitando comunicações do tipo ponto-a-ponto. Mesmo assim, não se
resolveu o problema definitivamente, quando se desejava realizar comunicações
entre
distâncias
muito grandes, como
entre continentes;
rapidamente foi
desenvolvido o cabo óptico, que por enlaces submarinos entre continentes,
revolucionou o mercado em termos de capacidade e qualidade, apesar do alto custo
de implementação.
Nesta mesma época, os caros e já conhecidos serviços via satélites
começam a perder força como via principal e única na comunicação entre
continentes e passaram a ter aplicações específicas. Começou a haver uma
verdadeira revolução no mercado tecnológico internacional.
No decorrer deste panorama conturbado e mutante das telecomunicações,
em meio a tantas novas tecnologias que surgiam, facilitando a comunicação entre
14
longas distâncias, a comunicação pessoal não poderia deixar de apresentar sua
parcela de contribuição, pois, até então, somente dispúnhamos de serviços de
telefonia fixa, com número limitado de assinantes, e nenhum tipo de segurança/sigilo
na conversação, devido à tecnologia ainda ser analógica.
Todo o cenário mundial pressionava a locomotiva das comunicações
pessoais a fim de que houvesse uma melhora significativa também nesta área de
serviços, mesmo porque, estávamos entrando numa fase onde capacidade deixava
de ser escassa e passou a ser a motivação para o desenvolvimento de novos
serviços para o consumo, o que definitivamente marcou o início da era digital.
Uma das melhores iniciativas de avanço nas comunicações pessoais
ocorreu entre as décadas de 70 e 80, quando foi lançado nos EUA o primeiro serviço
de telefonia móvel analógico, com número limitado de canais disponíveis para
atender uma certa fatia seleta de usuários. Nesta época, o organismo regulador das
Telecomunicações Norte-americanas (FCC) não se mostrava muito interessado
nesta área, tanto que apenas regulamentou inicialmente uma estreita faixa de
espectro de freqüência, pois na época já estava começando a ficar escasso com as
inúmeras aplicações em radiodifusão.
Logo que entrou em operação, tamanho foi o sucesso deste novo serviço,
que logo gerou lista de espera para novas linhas, causando enorme pressão da
sociedade para o aprimoramento e expansão da nova tecnologia.
Algum tempo mais tarde, com o surgimento da internet, todos os ramos das
telecomunicações começaram a convergir suas plataformas para prover serviços via
protocolo Internet (IP). Na telefonia móvel aconteceu de forma similar, rapidamente
ocorreu sua evolução para a era digital, disponibilizando serviços de voz e dados, a
taxas limitadas, devido às restrições não somente tecnológicas, mas também físicas
que são próprias da propagação em canais móveis.
Mesmo assim, a telefonia móvel adquiriu força e predileção pelos usuários,
pois em curto espaço de tempo, devido à viabilidade das técnicas digitais, tornou-se
um dos ramos mais disputados pelos operadores para exploração serviços, haja
vista que o número de terminais operantes no mundo já chega a ameaçar a ordem
de grandeza de toda a existência histórica da telefonia fixa.
Embora pareçam promissoras e de ganhos inestimáveis, as redes móveis,
assim como outros segmentos qualquer em Rádio-Freqüência (RF), são tecnologias
15
que mais necessitam de planejamento e maturidade para a sua implantação, devido
principalmente ao alto custo envolvido em sua infra-estrutura básica de operação.
Talvez este seja um dos principais motivos (excetuando as limitações físicas do
canal) pelos quais se pode presenciar uma defasagem maior na velocidade da
evolução dos serviços de dados das redes móveis celulares, quando comparados
com a velocidade da evolução em uma rede fixa.
Em uma rede corporativa ethernet (10 Mbps), por exemplo, o custo para se
migrar, seguindo sua escala de última geração - o Gigabit Ethernet (1000 Mbps), é
bastante baixo e de nenhum risco se comparado aos custos envolvidos nas
evoluções das gerações das redes móveis, que possuem um alto risco, devido às
mudanças de tecnologias de acesso, que em alguns casos mais críticos, forçam o
operador da rede a modificar toda sua estrutura de Estações Rádio-Base e Estações
Móveis (EM) de usuários, sem levar em conta o custo adicional desprendido em
novas licenças para se poder operar em uma nova faixa do espectro de freqüências.
Tudo isso para manter a continuidade no serviço prestado e propiciar uma
evolução na rede de forma o mais suave possível. Desta forma, conclui-se que, por
inúmeros motivos, as decisões de quando e como evoluir a rede móvel devem ser
maduras, pois as conseqüências podem ser irreversíveis para o operador da rede.
Atualmente no Brasil, bem como em grande parte do mundo, as redes
móveis celulares encontram-se ainda na Segunda Geração evoluída, apesar de já
estarem totalmente previstas e determinadas as tecnologias de Terceira Geração,
inclusive em operação em algumas partes do Mundo.
O maior limitante no processo de evolução das redes móveis é a baixa
expectativa de mercado para os operadores, frente ao custo de implementação
destas modernas redes, pois alguns indicadores importantes de mercado como:
expectativa reduzida na procura dos serviços de dados disponíveis de Segunda
Geração (GSM/GPRS); serviços de voz mantendo expressiva e majoritária
participação no faturamento das operadoras e, principalmente, o baixo ganho prático
na taxa de dados que se obtém com as tecnologias de Terceira Geração Móveis,
são os principais indicadores negativos que freiam o curso natural desta evolução.
Paralelamente a este panorama conturbado e incerto na evolução das redes
móveis, surge uma nova tecnologia, sem nenhuma concorrência direta com o setor
celular, mas que, devido à magnitude de suas promessas e positiva aceitação de
16
mercado, gerou uma possibilidade a mais, e com maior relevância, sobre o real rumo
na evolução das redes de telefonia móvel. São as assim conhecidas como as
WLANs (Redes locais sem fios).
As WLANs surgiram embrionariamente nos laboratórios de Tecnologia da
Informação (TI), na tentativa de se propiciar flexibilidade no acesso às redes de
dados de um ambiente qualquer de trabalho, além de torná-lo mais limpo e livre dos
excessos de cabos que o congestionam e o poluem visualmente. Obviamente que a
taxa de dados praticada no ambiente sem fio deve ser razoável, pois de nada
adiantaria a despoluição e flexibilidade no ambiente de trabalho, sem manter a
tradicional funcionalidade das redes fixas já consagradas.
Como síntese final deste desenvolvimento, tem-se redes corporativas com
acesso sem fio compartilhado, em qualquer ponto do ambiente de cobertura, com
altas taxas de dados. O mais interessante dessas redes sem fio é sua tamanha
semelhança com a infra-estrutura das redes móveis. Os pontos de acesso (AP) das
WLANs muito se assemelham com as bases transceptoras das células nos sistemas
móveis, inclusive em seu diagrama de cobertura apresentar-se sob a forma de
células. Suas maiores vantagens são, até então, as altas taxas de dados, que são
compartilhadas
entre
um
número razoável
de
usuários,
baixo
custo
de
implementação e operação nas faixas ISM, onde não há necessidade de outorga
para exploração de serviços, apenas deve-se respeitar os níveis de potência das
máscaras espectrais preestabelecidas pelas agências reguladoras (ANATEL no
caso específico do Brasil).
As WLANs surtiram um impacto muito otimista e positivo no meio
tecnológico, pois sinalizaram à sociedade como uma opção de baixíssimo custo e
bastante eficaz para solucionar, de forma alternativa, alguns problemas que limitam
os serviços de dados das redes móveis celulares. Pois os operadores, com pouco
investimento conseguirão oferecer, em regiões estratégicas e com grande demanda
para tráfego de dados (serviços de internet móvel em banda larga), com capacidade
para atenderem grande número de usuários com qualidade de serviço (QoS), além
de não terem de disponibilizar os tradicionais canais de voz para uso em tráfego de
dados. O que freqüentemente compromete a capacidade e disponibilidade dos
serviços de voz, que ainda correspondem a maior parcela de seu faturamento bruto
sustentável.
17
Com esta proposta, a rede móvel passará a ser híbrida (Celular+WLAN), de
forma que, para um usuário de dados, a comutação entre uma e outra tecnologia
ocorra de maneira suave e imperceptível, a menos de uma provável redução em sua
vazão de dados.
Para o caso de um usuário que desejar se afastar demais do ponto de
acesso (AP) dentro da célula de alcance da WLAN, a rede móvel deve atuar de
forma a garantir a continuidade do serviço no atendimento deste usuário, mesmo
que tenha de ser sob a forma tradicional, já encontrada nas redes móveis atuais (2G
ou 3G), mantendo assim, uma continuidade essencial na prestação dos serviços de
dados de seus usuários.
Desta forma, as operadoras das redes móveis terão maior tempo para
amadurecerem a idéia de evolução e migração de sua rede com maior prazo e
tranqüilidade, até mesmo para que seja possível inclusive uma migração direta para
uma provável Quarta Geração mais eficiente e suavizada, sem ter de experimentar
as incertezas já vivenciadas frente à Terceira Geração.
Após esta fase de expectativa inicial, a comunidade científica decidiu
concentrar esforços e continuar a desenvolver pesquisas, para o aprimoramento das
técnicas de acesso das WLANs, com intuito de apresentar uma aplicação para
tráfego de dados compartilhado da ordem de centenas de Mbps, onde seja possível
utilizá-las inclusive em ambientes externos (outdoors), com raio de alcance nas
células da ordem de quilômetros, e não somente metros, como já se obtém em
prática nas WLANs atuais.
Fica bastante claro que os níveis de potência do sinal de transmissão desta
nova fase das WLANs deverão ser mais elevados, para que se permita compensar
perdas de propagação. Devido a este motivo, a faixa de espectro de freqüências
provavelmente não mais compartilhará a faixa ISM.
A maior motivação da comunidade tecnológica é que com bastante difusão,
pesquisa e debate sobre esta nova tecnologia, chegue-se a um consenso sobre a
utilização uniforme do espectro de freqüências, a fim de que, com isso, seja possível
obter, finalmente, acordos viáveis de cobertura internacional (roaming), em termos
de compatibilidade de espectro de freqüências e uniformidade de tecnologia de
acesso. Por fim, lançar mais um passo marcante na história da evolução das redes
móveis celulares.
18
1.2. MOTIVAÇÃO E OBJETIVO DO TRABALHO
Devido ao grande sucesso e aceitação dos serviços móveis celulares de
segunda geração, aliado a migração pouco suavizada da segunda geração (GSM)
para a terceira Geração (WCDMA) e também devido ao natural aparecimento e
excelente aceitação das Redes Locais Sem Fio (WLANs) pelos usuários, surge a
proposta de utilização convergente de redes móveis celulares de segunda geração
evoluída em conjunto com WLANs, a fim de oferecer de forma alternativa e a um
custo extremamente reduzido, capacidade de tráfego de dados superiores aos
oferecidos pela terceira geração celular, que atualmente encontram-se apenas
implementadas em algumas regiões do conjunto universo das redes GSM operantes
no mundo.
Atualmente este assunto tem despertado tamanho interesse no âmbito
científico que inúmeras publicações no âmbito internacional, tem sido feitas
apostando
positivamente
na
proposta
de
convergência
(ALVEN,
2001;
HONKASALO, 2002; RAPPAPORT, 2002; LEHR, 2003).
O presente trabalho se insere neste contexto e tem como principal objetivo, a
formulação de uma proposta de convergência entre as redes móveis celulares e
redes locais sem fio, confrontando as principais diferenças entre as técnicas de
acesso das redes celulares de segunda geração evoluída e de terceira geração.
Bem como comparar as taxas de dados máximas atingidas em cada técnica, sempre
com o compromisso de que se prove o real ganho efetivo atingido com a utilização
convergente entre redes celulares e WLANs, propiciando ao leitor uma melhor
perspectiva de entendimento e eficácia desta nova tendência mundial no rumo da
evolução das redes móveis celulares e sem fio para as próximas gerações.
19
1.3. ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO
Nas Seções seguintes do capítulo 1, serão apresentados aspectos físicos
básicos de uma rede móvel e conceitos teóricos para a caracterização dos efeitos de
propagação a que estão sujeitos os canais móveis, definindo variados agentes
perturbadores mais comumente encontrados nas comunicações móveis celulares.
Anda no capítulo 1, as seções finais são reservadas para a apresentação dos
primeiro sistema móvel analógico (AMPS) e sua natural evolução para a era digital
com o sistema DAMPS (IS-54 e IS-136).
No capítulo 2, é mostrado o sistema GSM como sendo a evolução dos
sistemas TDMAs digitais, exaltando todas as suas funcionalidades e características
de especificação e de funcionamento, bem como sua penetração no mercado
internacional.
No capítulo 3, é detalhado o sistema CDMA, determinando características de
funcionamento e especificações, bem como sua menos expressiva penetração,
porém estratégica, no mercado mundial.
No capítulo 4, são descritas as duas técnicas de acesso de terceira geração.
O CDMA 2000 em substituição do CDMA (IS-95) e o WCDMA em substituição do
GSM. São abordadas características de funcionamento e especificações. Também é
dado enfoque nas novas taxas de dados atingidas com as novas técnicas de
acesso.
No capítulo 5, são apresentados os padrões de redes sem fio (WLANs) com
especificações do IEEE. Neste capítulo são detalhados aspectos de cobertura,
alcance, diferentes topologias de rede sem fio, interferências que limitam as WLANs,
faixas de operações, dentre outros aspectos.
No capítulo 6, é feita a proposta de convergência dos diferentes sistemas
(Celular+WLANs), apresentando modelos esquemáticos de topologia, análises
comparatórias entre a cobertura de redes celulares e redes locais sem fio, buscando
sempre atingir a forma mais eficiente de se prover maior taxas de dados para
usuários móveis sem fio.
20
No capítulo 7, são propostos e analisados estudos de casos para solução de
convergência das atuais redes móveis celulares com WLANs, levando-se em conta
as diferentes taxas de dados obtidas entre as diferentes gerações celulares.
No capítulo 8, são encontradas as conclusões baseadas na análise dos
estudos de casos apresentados nesta dissertação, que mostram a tendência natural
de evolução que começa a se caracterizar nas variadas regiões do mundo, inclusive
no Brasil. Também se encontram neste capítulo algumas propostas para sua
continuação.
Por fim, são sugeridas propostas de tendências das redes sem fios para o
futuro, onde serão atendidas regiões metropolitanas e não mais somente áreas
locais e restritas. São indicados os padrões que se encontram em desenvolvimento
pelo IEEE a este respeito, abordando aspectos de cobertura, capacidade e
interoperabilidade entre os diferentes sistemas sem fio.
Ainda no capítulo 10, serão apresentadas expectativas de técnicas que serão
avaliadas para uma possível evolução para a quarta geração móvel celular.
Certamente, todas estas esperanças de evolução estão preocupadas em permitir
compatibilidade e interoperabilidade entre todos os padrões sem fio já existentes e
os que estão por virem.
1.4. ASPECTOS FÍSICOS DAS REDES MÓVEIS CELULARES
As redes móveis são constituídas basicamente por elementos de comutação,
de autenticação, de registro, de interface rádio, além de outros que serão abordados
neste capítulo, a fim de dar uma idéia mais evidente da cadeia de dependência
funcional destes elementos nas redes móveis. Ver FIG.1.1 a seguir, que mostra em
maiores detalhes uma rede básica de telefonia celular.
21
FIG. 1.1 Estrutura básica das redes móveis
O MSC (Mobile Switching Center), ou Centro de Controle/Comutação da
Rede Móvel é o elemento principal da rede, responsável pelo encaminhamento e
controle das chamadas tanto originadas dentro da rede móvel, quanto das
chamadas que chegam, via rede fixa, à rede móvel endereçada a um usuário
específico. É um elemento do tipo centralizador na rede móvel e portanto, atende a
uma região com um grande número de células ativas, até mesmo a clusters da
mesma rede. Por isso o MSC é o elemento que necessita de maior esfoço
computacional no sistema, sendo também o de maior relevância nos critérios de
análise e eficiência na comutação de chamadas telefonicas.
O HLR (Home Location Register), ou Registrador de Localização de
Assinantes Ativos da rede, é o elemento que controla, basicamente, o perfil de cada
usuário: se pré ou pós pago, regula os usuário com e sem privilégio em serviços na
rede, usuários com acordos de roaming etc. É também utilizado para armazenar
informações sigilosas sobre chaves criptográficas de cada assinante da rede. Enfim,
o HLR é um grande banco de dados que deve ser mantido em sigilo pelo operador,
principalmente, como garantia de segurança de sua própria rede. Normalmente está
associado ao MSC numa rede móvel e por isso, pode atender a um grande número
de células ativas.
O VLR (Visitor Location Register), ou Registrador de Localização de
Visitantes na rede móvel, é o elemento também associado ao MSC que controla e
22
garante acesso às redes móveis para usuários não pertencentes a rede. Tais
acessos são garantidos entre as operadoras via acordos de roaming e,
normalmente, não são estendidos a todos os usuários de uma rede, somente
àqueles que possuam a autorização de sua rede originária para tal fim.
Vale ressaltar que o VLR possui um banco de dados volátil, pois logo que o
usuário visitante se desconectar da área de cobertura, seja por desligamento, ou por
migração para outra região de outro operador, o VLR automaticamente o desabilitará
de seu banco de dados de usuários visitantes, apesar de ainda permanecerem
registrados na rede, o seu período de permanência.
As BTS (Base Station), ou ERB – Estação Rádio Báse são os elementos das
redes móveis responsáveis por viabilizarem a comunicação sem fio entre a parte fixa
das redes celulares com as estações móveis ou terminais celulares dos usuários.
Através da interface rádio, que para cada uma das tecnologias existentes,
correspondem características diferentes em sua técnica de acesso. Nos capítulos
mais à frente serão mostradas, com maior nível de detalhamento, as técnicas de
acesso existentes.
As PSTNs (Public Switching Telephone Network), ou Rede pública de
comutação telefonica são as centrais telefonicas híbridas existentes nas redes de
telefonia fixa e móvel, que viabilizam a interconexão entre as diferentes redes de
comunicação, permitindo, com isso, a interoperabilidade de chamadas entre as duas
redes diferentes. Sejam elas entre redes fixas e móveis ou entre redes móveis de
diferentes operadores. É evidente a necessidade de que se utilize um protocolo
compatível entre estas conexões, pois do contrário, não seria possível compatibilizar
os dois sistemas de princípios tecnológicos tão diferentes.
Para a perfeita operação das redes híbridas, foi instituído que o protocolo de
entroncamento seria a sinalização Canal Comum (SS#7), já largamente utilizado nas
redes de telefonia fixa. Ver FIG.1.2 abaixo, que ilustra basicamente a estrutura de
entroncamento híbrida.
23
FIG. 1.2
Estrutura de rede híbrida
1.5. CONCEITOS DE PROPAGAÇÃO PARA AMBIENTES CELULARES
Um dos maiores desafios das comunicações sem fio é, sem dúvidas, o meio
de propagação, que está sempre sujeito a interferências externas e as condições
climáticas adversas, que se modificam constantemente no ambiente de propagação
(Rappaport, 1996; PARSONS, 1992). Muito se pesquisou, e ainda se pesquisa a
respeito deste assunto, pois o sucesso de qualquer tipo de sistema de comunicação
sem fio está no gerenciamento otimizado entre potência, largura de banda e
condições de propagação.
Desta forma, não poderia ocorrer de maneira diferente nas redes móveis
celulares, pois dentre os sistemas sem fio, a telefonia celular foi a que mais
contribuíu no desenvolvimento de estudos de propagação, devido, principalmente, à
necessidade de se realizar comunicações cada vez mais eficientes entre base fixa
(ERB) e usuários móveis (EMs).
Dentre os parâmetros mais conhecidos, que sempre são levados em
consideração nos cálculos dos enlaces rádio, pode-se citar como os mais
24
tradicionais, a freqüência de operação, a distância de alcance, o ganho das antenas,
a altura das antenas, a potência de transmissão, os níveis pluviométricos da região,
etc.
Na telefonia celular, aparecem outras variáveis adicionais devido à contante
mutação da geografia e do ambiente de propagação de uma Estação Móvel - EM
(por ser efetivamente móvel). Trazendo outros tipos de perdas que precisam ser
levadas em consideração para o correto dimensionamento da rede.
De uma forma geral, em um ambiente celular, o sinal transmitido pela ERB
chega ao terminal receptor (EM) por diferentes percursos de propagação, que são
determinados por um sinal direto (raio principal) e vários outros oriundos das
múltiplas reflexões, refrações, difrações e espalhamentos, que uma parcela deste
sinal transmitido pode sofrer. No caso dos receptores móveis, o sinal pode sofrer
ainda Desvio Doppler.
Na prática, quando se refere aos tipos de interferências atuantes nos
sistemas de propagação para ambientes celulares, utilizam-se os termos:
desvanecimento lento, desvanecimento rápido, atenuação e Multipercurso.
Desvanecimento em pequena escala ou simplesmene desvanecimento é o
conceito utilizado para descrever as rápidas flutuações de amplitude de um sinal
rádio em um pequeno intervalo de tempo ou distância de propagação. O
desvanecimento é causado por interferências entre no mínimo duas versões do
mesmo sinal transmitido que chegam ao receptor em intervalos de tempo um pouco
diferentes. São conhecidas como Ondas Multipercurso que, quando combinadas no
receptor, podem apresentar grandes variações em fase e amplitude no sinal de
interesse, dependendo da distribuição, da intensidade e tempo de propagação
relativo destas ondas e também da largura de banda do sinal transmitido.
1.5.1. PROPAGAÇÃO MULTIPERCURSO EM PEQUENA ESCALA
O multipercurso em canais rádio produzem efeitos de desvanecimento em
pequena escala. Os mais relevantes são:
25
•
Rápidas modificações na amplitude do sinal em uma pequena distância
percorrida ou em um intervalo de tempo pequeno;
•
Modulação em freqüência aleatória em função de haver variações do desvio
Doppler nos diferentes sinais multipercursos;
•
Dispersão no tempo (ECO) causado por retardos de propagação multipercurso.
O sinal recebido por uma EM em qualquer ponto no espaço pode conter uma
enorme quantidade de ondas planas com amplitudes, fases e ângulos de chegada
distribuídos aleatoriamente. Estes componentes são combinados vetorialmente no
receptor e podem resultar em distorções e desvanecimentos do sinal que foi
transmitido. Mesmo que a EM esteja parada, estes efeitos ocorrem devido aos
objetos ao redor serem móveis, por exemplo, automóveis, pessoas, pássaros, etc.
1.5.2. FATORES QUE INFLUENCIAM NO DESVANECIMENTO EM PEQUENA
ESCALA
Muitos são os fatores físicos no canal de propagação que influenciam o
desvanecimento em pequena escala:
•
Propagação Multipercurso – A presença de objetos refletores e espalhadores no
canal criam um ambiente em constante mudança, que dissipam a energia do
sinal tanto em amplitude, quanto em fase e no tempo. Tais efeitos resultam em
múltiplas versões do sinal transmitido que chegam ao receptor deslocados uns
dos outros, no espaço e no tempo. A característica aleatória de fase e amplitude
encontrada nas diferentes versões multipercurso, causam flutuações nas
características originais do sinal, gerando desvanecimento em pequena escala,
distorção do sinal, ou ambos.
•
Velocidade da EM – O movimento relativo entre EM e ERB resulta em modulação
em freqüência aleatória em função dos diferentes desvios dopplers encontrados
26
em cada componente do multipercurso. O desvio doppler será positivo ou
negativo dependendo se a EM estiver se movimentando no sentido da ERB ou
se afastando dela respectivamente.
•
Velocidades dos objetos ao redor – Se os objetos no canal rádio móvel estiverem
em movimento, induzem desvio doppler variante no tempo nas componentes
multipercurso. Se os objetos móveis estiverem se movendo com velocidade
maior que a EM, então os efeitos serão caracterizados pelo desvanecimento em
pequena escala. Se as velocidades dos objetos forem menores que da EM,
então os objetos serão considerados estáticos e somente a velocidade da EM
será levada em conta.
•
Largura de banda de transmissão do sinal – Se a largura de banda do sinal
transmitido for maior que a largura de banda do sinal multipercurso, o sinal
recebido será distorcido, mas a forma e amplitude do sinal recebido não irão
sofrer graves efeitos de desvanecimento em uma área local. Na literatura sobre o
assunto, encontrar-se-á a terminologia
banda de coerência para tratar deste
efeito, que é relativo à largura de banda do sinal em função da largura de banda
do canal multipercurso.
1.5.3. TIPOS DE DESVANECIMENTO EM EM PEQUENA ESCALA
Desvanecimento
em
pequena
escala
baseado
em
espalhamento
multipercurso com retardo no tempo.
•
Desvanecimento plano – Caso em que o canal rádio móvel possui ganho
constante e resposta de fase linear sobre uma largura de banda maior do que a
largura de banda do sinal transmitido. É o mais comum tipo de desvanecimento
que existe, pois a estrutura multipercurso do canal é tal que as características do
sinal transmitido são preservadas no receptor. Entretanto a amplitude do sinal
27
apresenta flutuações em função do tempo, em razão de flutuações no ganho do
canal causados pelo multipercurso.
•
Desvanecimento seletivo em freqüência – Se o canal possuir ganho constante e
resposta em fase linear em uma largura de banda menor que a largura de banda
do sinal, então o canal gera desvanecimento seletivo em freqüência no sinal do
receptor. Sob estas condições a resposta ao impulso do canal possui um retardo
por espalhamento multipercurso que é maior do que a largura de banda da forma
de onda da mensagem transmitida. Quando isso ocorre, o sinal recebido possui
múltiplas versões da forma de onda transmitida que sofre atenuação e retardo no
tempo, distorcendo o sinal no extremo receptor. O desvanecimento seletivo em
freqüência é relacionado com a dispersão temporal dos símbolos transmitidos
pelo canal. Logo, o canal induz interferência intersimbólica. No domínio da
freqüência, certas componentes de freqüências, no espectro do sinal recebido,
tém maiores ganhos que outras.
1.5.4. DESVANECIMENTO EM PEQUENA ESCALA BASEADO EM
ESPALHAMENTO DOPPLER
•
Desvanecimento rápido – Dependendo de quão rapidamente os sinais
transmitidos em banda básica se modificam quando comparados à taxa de
modificação do canal, um canal pode ser determinado como sendo de
desvanecimento rápido ou lento. No desvanecimento rápido, a resposta ao
impulso do canal muda rapidamente durante a existência de um símbolo. Isto
significa dizer que o tempo de coerência do canal é menor que o período do
símbolo do sinal transmitido. Este efeito causa dispersão em freqüência em
função do espalhamento doppler, que gera distorção. No domínio da freqüência,
distorção do sinal por desvanecimento rápido aumenta com o aumento do
espalhamento Doppler em relação à largura de banda do sinal transmitido.
28
•
Desvanecimento lento – A resposta ao impulso do canal muda com velocidade
muito menor do que a velocidade que o sinal em banda básica transmitido se
modifica. Neste caso, o canal pode ser considerado estático durante um ou
vários intervalos de largura de banda recíprocos. No domínio da freqüência, isto
implica que o espalhamento doppler do canal é muito menor que a largura de
banda do sinal em banda básica transmitido.
Devido às inúmeras possibilidades de multipercursos, aos quais o sinal é
sempre submetido de forma aleatória, desde o transmissor até o receptor das redes
móveis, o sinal resultante é um somatório de sinais com retardos mútuos relativos,
que geram um espalhamento proporcional no domínio do tempo.
Nas aplicações digitais, este fenômeno é muito crítico pois gera interferência
entre símbolos, que para ser reduzida, deve-se reduzir a taxa de dados do sistema,
pois assim, aumenta-se o período de cada símbolo e consegue-se uma maior
redundância, na Estação Móvel - EM, com respeito ao sinal ora transmitido. Ver, na
FIG.1.3 , o exemplo ilustrativo sobre o efeito do retardo no pulso transmitido:
FIG. 1.3
Efeito Multipercurso
1.6. AMPS (ADVANCED MOBILE PHONE SYSTEM)
No fim da década de 50, um grupo norte-americano propôs o primeiro sistema
móvel operando na faixa de 800 MHz utilizando uma banda total de 75MHz. Esta
proposta, aparentemente inviável para a realidade da época, somente veio a ser
29
materializada em projeto quase vinte anos depois, quando em 1974, a agência
reguladora norte-americana (FCC) resolveu reservar uma banda inicialmente de 40
MHz, com uma pequena previsão de folga de mais 20 MHz, para eventual
necessidade futura.
Pouco tempo depois, em 1979 nos EUA, foi lançado o sistema analógico
AMPS, que hoje e conhecido como sistema de Primeira Geração Celular, ou sistema
analógico, segundo RAPPAPORT, 1996, onde se utilizava modulação analógica em
freqüência (FM) para tratamento na transmissão do sinal de voz e técnica de acesso
do tipo FDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Freqüência).
Certamente este primeiro sistema era bastante limitado em capacidade de
canais, visto que cada usuário ocupava, em média, 30 kHz para conversação em
cada uma das vias de subida e de descida (mais adiante serão apresentadas as
técnicas de acesso sucessoras que objetivaram superar estas limitações).
As informações de controle eram os únicos sinais que trafegavam pela
interface aérea na forma digital, utilizando modulação FSK (Frequency Shift Keying)
e ocupando uma média de faixa útil de 8KHz com taxa de 10 Kbps.
Nesta técnica de Primeira Geração, quando um canal de tráfego estivesse
sendo utilizado por um usuário, ele recebia informações de controle e gerenciamento
da rede móvel pelo próprio canal de voz através da técnica conhecida como Blank
and Burst, que consiste em retirar propositalmente pedaços da informação do
usuário que trafegam pelo canal, afim de que, nesta lacuna do canal ocupado pelo
próprio usuário, pudessem ser enviados comandos e informações da rede ao
terminal celular, sem com isso prejudicar a inteligibilidade da comunicação.
Como foi o primeiro sistema móvel que apareceu, o AMPS possuía um
sistema de gerenciamento da rede muito robusto e de baixos recursos operacionais
de manobra. Por exemplo, ao realizar handoff, a EM necessariamente precisava
ajustar seu receptor em uma outra freqüência de portadora, pois estaria passando a
ser atendida por outra ERB do sistema.
Neste procedimento, sempre ocorria a
interrupção momentânea da chamada que estivesse em curso; em muitas das vezes
ocorria até a perda definitiva da chamada, tendo o usuário que re-discar o número
de interesse para ocupar outro canal no sistema e poder dar prosseguimento à
conversação. Este tipo de Handoff é conhecido como Hard handoff, e foi minimizado
30
em número de ocorrências com o aparecimento das redes móveis digitais de
segunda geração (2G), que serão estudadas a seguir.
1.7. D-AMPS (DIGITAL ADVANCED MOBILE PHONE SYSTEM)
1.7.1. IS-54
O IS-54 foi o primeiro sistema digital desenvolvido para coexistir com o
sistema AMPS e fornecer serviço em dual mode (operável em sistema analógico
e/ou digital). Sua operação era feita na faixa de freqüências entre 824 até 894 MHz,
que foi igualmente subdividida em sub-portadoras de 30 KHz (aproximadamente 832
canais), como no sistema AMPS, sendo que, por cada sub-portadora seria utilizada
técnica TDMA (Acesso Múltiplo de usuários por Divisão no Tempo), onde ocorreria
compartilhamento sincronizado e ordenado entre três usuários, predefinidos pela
rede, por sub-portadora de 30 KHz (RAPPAPORT, 1996).
Cada Estação Móvel (EM) deveria aguardar seu momento exato de escutar e
falar ao meio, por um tempo finito e padronizado pela rede. Desta forma, diz-se que
este padrão utilizava técnica TDMA/FDMA e devido a isto, todo o sistema deve ser
muito bem sincronizado a fim de evitar, principalmente, que ocorra troca de
informações de um determinado usuário (processos de fala e escuta), fora de sua
janela para acesso e comunicação na rede. Sendo assim, o sistema TDMA precisa
ter um perfeito sincronismo para ser considerado uma rede eficiente na difusão de
seus serviços.
Os canais de controle são exatamente como na versão do AMPS (sistema
analógico). Utilizam modulação digital do tipo FSK com taxa de 10 Kbps através da
técnica Blank & Burst no próprio canal de tráfego. A diferença maior ocorreu nos
canais de voz, que deixaram de ser analógicos e passaram a ser digitais. Para esta
31
digitalização utilizam-se moduladores do tipo π/4DQPSK com taxa de bits máxima
total por usuário de 16,2 Kbps e taxa de bits máximos totais por sub-portadora de 30
KHz de 48,6 Kbps (com três usuários).
Outra característica limitante do sistema IS-54 era de ainda utilizar técnica de
Hard Handoff, como nos sistemas analógicos, propiciando, com isso, os mesmos
tipos de problemas já enfrentados pelo seu antecessor, o sistema AMPS.
1.7.2. IS-136
O padrão IS-136, não se diferenciou muito de seu antecessor IS-54. Somente
foram realizadas algumas modificações que simbolizam maior relevância e, portanto,
merecem ser mencionadas. A principal delas ocorreu no canal de controle do IS-136
que, diferentemente do IS-54, passou a ter modulação digital do tipo π/4DQPSK e
passou a ocupar um canal independente do canal de tráfego (RAPPAPORT,1996).
Sua técnica de acesso continua sendo TDMA/FDMA, com três usuários por
sub-portadora de RF de 30 kHz, operando nas faixas de 824 a 894 MHz e 1900MHz.
A taxa de dados por usuário continuou sendo a mesma praticada pelo IS-54, 16,2
kbps, o que resulta nos mesmos 48,6 kbps por portadora de RF de 30kHz.
Outra característica marcante do IS-136 foi ter sido o primeiro sistema a trazer
evoluções nos mecanismos de Handoff (conhecido como MAHO - Mobile Assisted
Handoff), ou Handoff auxiliado pela Estação Móvel. O que tornou mais suave, pelo
ponto de vista do usuário, as transições da Estação Móvel ativa pelas células da
rede móvel celular.
Também foi no IS-136 que surgiram as primeiras aplicações de criptografia e
autenticação de dados, o que proporcionou aos usuários, real privacidade na
conversação.
Foram
implementados
também
os
primeiros
serviços
de
identificadores de chamadas recebidas e os codificadores adaptativos de voz
ACELP, que ofereciam taxas de sinal de voz a 7,95 kbps, frente aos antecessores
que, para atender aos mesmos níveis de qualidade do sinal de voz, suas taxas de
bits chegavam a passar da casa da dezena de quilobits por segundos.
32
É um codificador do tipo híbrido, pois resulta de uma combinação entre
codificador do tipo VOCODER com codificador do tipo FORMA DE ONDA. Sua taxa
de bits se inicia em 2kbps e aumenta adaptativamente com a necessidade da
qualidade do sinal de voz.
Também foi no IS-136 que se apresentou pela primeira vez o modo Sleep,
onde a Estação Móvel (EM) realizava escutas cíclicas das instruções do sistema e
não mais se mantinha constantemente sintonizado às ERBs, como ocorria no
sistema AMPS e IS-54, o que propiciou um grande avanço na economia de energia
da bateria da EM, permitindo com isso, que as EM tivessem uma maior autonomia
de funcionamento até a próxima recarga.
33
2. SISTEMA GSM
O GSM (Global System for Mobile Communication) é um padrão digital de
segunda geração celular, que foi desenvolvido inicialmente na Europa e adotado na
maior parte do mundo. Sua operação aplicava-se inicialmente na faixa de 900 MHz,
e teve, posteriormente, uma versão adaptada para as faixas de 1800 e 1900 MHz.
O sistema GSM tem sua estrutura básica exatamente como a dos sistemas
celulares TDMA anteriores, oferecendo as mesmas funcionalidades básicas dos
demais sistemas celulares, associadas à mobilidade como roaming e handoff entre
células (RAPPAPORT,1996).
A arquitetura de referência de um sistema GSM é apresentada na FIG. 2.1 a
seguir:
FIG. 2.1 Arquitetura de Rede GSM
2.1. ESTAÇÃO MÓVEL (EM)
É o equipamento terminal utilizado pelo assinante quando carregado com um
cartão inteligente conhecido como SIM Card ou Módulo de Identidade do Assinante
34
(Subscriber Identity Module). Sem este SIM Card a Estação Móvel não está
associada a um usuário e não pode originar nem receber chamadas.
Uma vez contratado o serviço junto a uma operadora, o usuário passa a
dispor de um SIM card que ao ser inserido em qualquer terminal móvel GSM faz com
que este passe a assumir a identidade do proprietário do SIM Card.
Este cartão de usuário armazena entre outras informações um número de 15
dígitos que identifica unicamente uma dada Estação Móvel denominado IMSI ou
Identidade Internacional do Assinante Móvel (International Mobile Subscriber
Identity).
Já o terminal móvel é caracterizado por um número também com 15 dígitos,
atribuído pelo fabricante, denominado IMEI ou Identidade Internacional do
Equipamento Móvel (International Mobile Station Equipment Identity).
2.2. SUBSISTEMA DE ESTAÇÃO BASE (BSS)
É o sistema encarregado pela comunicação com as estações móveis em uma
determinada área. É formado por várias Estações Rádio Base (ERB), que
constituem uma célula, e um Controlador de Estação Rádio-Base (BSC), que
controla estas ERBs.
2.3. MOBILE-SERVICES SWITCHING CENTER (MSC)
35
A MSC, ou Central de Comutação e Controle (CCC) é a central responsável
pelas funções de comutação e sinalização para as estações móveis localizadas em
uma área geográfica designada como a área de gerenciamento da MSC. A diferença
principal entre uma MSC e uma central de comutação fixa é que a MSC tem que
levar em consideração a mobilidade dos assinantes (locais ou visitantes), inclusive
sobre os handoffs que ocorrem durante a comunicação, quando estes assinantes se
movem de uma célula para outra. A MSC encarregada de rotear chamadas para
outros MSCs é chamada de Gateway MSC.
2.4. HOME LOCATION REGISTER (HLR)
O HLR, ou Registro de Assinantes Locais é a base de dados que contém
informações sobre os assinantes de um sistema celular.
2.5. VISITOR LOCATION REGISTER (VLR)
O VLR, ou Registro de Assinantes Visitantes é a base de dados que contém a
informação sobre os assinantes em visita (caso de roaming) em uma rede móvel
celular.
36
2.6. AUTHENTICATION CENTER (AUC)
O AUC, ou Centro de Autenticação é responsável pela autenticação dos
assinantes no uso do sistema. O Centro de Autenticação está associado a um HLR
e armazena uma chave de identidade para cada assinante móvel registrado naquele
HLR possibilitando a autenticação do IMSI do assinante. É também responsável por
gerar uma chave secreta para criptografar a comunicação entre EM e ERB.
2.7. EQUIPMENT IDENTITY REGISTER (EIR)
O EIR, ou Registro de Identidade do Equipamento é a base de dados que
armazena os IMEIs dos terminais móveis de um sistema GSM.
2.8. OPERATIONAL AND MAINTENANCE CENTER (OMC)
O OMC, ou Centro de Operação e Manutenção é a entidade funcional através
da qual a operadora monitora, controla e gerencia o sistema em operação.
37
2.9. CARACTERÍSTICAS DA INTERFACE AÉREA NO GSM
As características principais da interface aérea entre a Estação Móvel e a
ERB são apresentadas na TAB. 2.1, a seguir:
TAB. 2.1
Interface aérea GSM
O sistema GSM foi padronizado para operar nas faixas de freqüências
apresentadas na TAB. 2.1, sendo o GSM 900 e o DCS 1800 adotados na Europa e o
PCS 1900 nos Estados Unidos.
No Brasil as Bandas C, D e E estão na faixa de freqüências do DCS 1800,
tendo sido licitados inicialmente 15 MHz por operadora em cada direção.
2.10. CANALIZAÇÃO
As Bandas do sistema GSM são divididas em canais de Rádio-FreqüênciaRF, onde cada canal consiste de um par de freqüências (Transmissão e Recepção)
com 200 KHz de banda cada (RAPPAPORT, 1996).
Existem, portanto, 124 canais de RF no GSM 900 e 373 no DCS 1800.
As freqüências portadoras dos canais de RF são moduladas em 0,3GMSK por
um sinal digital com taxa final de 270,833 kbit/s .
38
Este sinal digital de 270,833 kbit/s é dividido no domínio do tempo em 8
intervalos de tempo (Time slots), possibilitando o múltiplo acesso por divisão no
tempo (TDMA) das Estações Móveis. A seguir, na TAB. 2.2, encontram-se com mais
detalhes as especificações TDMA do sistema GSM:
TAB. 2.2
Especificação TDMA do sistema GSM
2.11. MODULAÇÃO
O Sistema GSM utiliza um formato de modulação digital chamado de
0,3GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). (RAPPAPORT,1996).
O 0,3G descreve a Banda do Filtro Gaussiano de pré-modulação utilizado
para reduzir o espectro do sinal modulado.
MSK (Minimum Shift Keying) é um tipo especial de modulação FSK
(Frequency Shift Keying) onde 1’s e 0’s são representados por deslocamentos na
freqüência da portadora de RF. Quando a taxa de bits do sinal modulante é
exatamente quatro vezes o deslocamento da freqüência da portadora consegue-se
minimizar o espectro e a modulação é chamada de MSK (Minimum Shift Keying).
39
2.12. CAPACIDADE DO GSM
A eficiência de utilização do Espectro, ou capacidade de um sistema GSM é
maior que a do AMPS e menor que um sistema TDMA (IS-136).
Em uma Banda de 30 KHz o AMPS tem capacidade para uma chamada
telefônica e o TDMA três. Já o GSM em 200 KHz tem capacidade para oito
chamadas. Em compensação por ser mais robusto à interferência co-canal, o
sistema GSM utiliza um reuso de freqüência de 4 por 12 enquanto no AMPS e
TDMA o reuso usual é de 7 por 21, o que propicia uma melhor utilização do espectro
por parte do GSM. Se o GSM utilizar um recurso, previsto nas especificações, de
salto de freqüência (Frequency Hopping) é possível, inclusive, a utilização de
esquemas de reuso de freqüências mais eficientes.
2.13. SERVIÇOS OFERECIDOS NO GSM
As especificações do GSM procuraram de início reproduzir na rede móvel os
serviços que estariam disponíveis na rede fixa através da ISDN (Rede Digital de
Seviços Integrados) padronizada pela UIT. A estrutura flexível dos canais físicos do
GSM bem como a utilização do protocolo SS7 facilitaram a introdução destes
serviços, que foram divididos nos grupos apresentados a seguir.
40
2.13.1. BEARER SERVICES
Serviços de transporte de dados usados para conectar dois elementos de
uma rede como acesso ao X.25 com taxas de dados de 2400 a 9600 bit/s.
2.13.2. TELESERVICES
Serviços de comunicação entre dois assinantes como telefonia, serviço de
mensagens curtas (SMS) e FAX.
2.13.3. SERVIÇOS SUPLEMENTARES
As redes GSM suportam dezenas de serviços suplementares, tais como
identificação do número chamador, chamada em espera, siga-me, conferência, etc.
A padronização do sistema GSM tem avançado na definição de outros
serviços adicionais. O SMS, assim como outros serviços, é normalmente
implementado utilizando-se gateways entre a BSC e o MSC como apresentado na
FIG. 2.2 a seguir.
A comunicação com outros elementos da Rede GSM, tais como MSC, HLR e
EIR, é sempre baseada no protocolo MAP com suporte do SS7.
FIG. 2.2
Esquema parte fixa da rede GSM
41
2.13.4. SERVIÇOS DE LOCALIZAÇÃO
Os serviços de localização padronizados para o GSM permitem estimar com
precisão a localização da estação móvel servindo de base para vários outros
serviços oferecidos ao assinante.
2.14. GPRS - GENERAL PACKET RADIO SERVICE
Embora o sistema GSM inicialmente possuísse baixa eficiência na
comunicação de dados, muito se pesquisou e se aprimorou no amadurecimento
desta tecnologia numa busca incansável de se aumentar a taxa de dados efetiva nas
comunicações destas redes móveis. Uma primeira evolução alcançada foi o GPRS,
que trouxe considerável melhora na comutação de dados a um custo razoável de
implementação.
O GPRS é um serviço para comunicação de dados que permite que a
Estação Móvel (EM) estabeleça uma conexão com a Internet, sem a necessidade de
se realizar uma chamada telefônica para tal, é o chamado modo sempre conectado
(always online). Este serviço de dados GPRS pode utilizar até os 8 timeslots de uma
canal GSM de 200 KHz, o que implica uma taxa que teoricamente poderia chegar a
160 kbps (ERICSSON, AB2003). Seu único inconveniente é que para atingir esta
taxa teórica, muito se perderia em termos de capacidade principalmente na
prestação dos serviços de voz tradicionais, pois, para cada usuário de uma mesma
célula, que quisesse utilizar serviços de dados a esta taxa, teriam-se oito usuários a
menos em conversação. Isso reduziria bastante a receita das operadoras forçando-
42
as a encarecer o uso destes novos serviços de dados GPRS, como forma de
compensação às possíveis perdas. Usualmente as operadoras GSM brasileiras
adotaram a configuração de até quatro timeslots por usuários de dados por subportadora de 200kHz, a fim de evitar situações de extremo congestionamento,
mantendo reduzida a probabilidade de bloqueio de chamadas.
Basicamente, pouco se modificou na redes GSM existentes, além de algumas
adaptações e inserções de equipamentos específicos para viabilizar a comutação de
pacotes. As principais alterações foram: a criação de dois nós adicionais, que na
verdade são roteadores, que se interligam ao subsistema de rede do GSM; e a
inserção de uma placa de unidade controladora de pacotes (PCU) na estrutura da
BSC. A FIG. 2.3 abaixo, ilustra melhor o tipo de topologia de rede encontrada nas
redes GSM/GRPS:
FIG. 2.3
Estrutura de Rede GSM com suporte a serviço GPRS
A adição destes novos elementos na rede implicou o desenvolvimento de
novos modelos de terminais móveis que permitissem a operabilidade simultânea
(dual) entre os Sistemas GSM/GPRS.
Vale notar que os usuários podem optar por trocar ou não seus terminais
móveis de acordo com sua conveniência.
As novas taxas de dados atingidas pelo serviço GPRS são definidas em
quatro classes definidas na TAB. 2.3:
43
TAB. 2.3
Classes de taxas do GPRS
Na prática, a taxa máxima por usuário não passa de ordem de 80Kbps para a
classe 4 devido ao fator k crescer no máximo até quatro. Esta regra prática é válida
para a determinação de todas as outras classes existentes no sistema GPRS.
Mesmo com este ganho efetivo obtido na taxa de dados dos sistemas GSM,
não foi sufiente para que se fosse considerado um sistema de Terceira Geração,
pois a especificação internacional prevê que a Terceira Geração celular deva
oferecer taxas de dados da ordem de 144Kbps para usuários com alta mobilidade
(velocidade de deslocamento média de 200Km/h),
384Kbps para usuários com
média mobilidade (pedestre) e de até 2Mbps para usuários em ambiente
fechado/interno (usuário praticamente parado). Daí a necessidade de se continuar a
desenvolver técnicas que viabilizassem preservar as características iniciais da rede
GSM, oferecendo taxas de dados cada vez maiores.
2.14.1. COBERTURA GSM/GPRS NO MUNDO
Atualmente todas as redes GSM existentes no mundo estão aptas a
oferecerem serviços de dados GPRS. A fim de ilustrar esta cobertura, serão
comentados os mapas ilustrativos a seguir, obtidos no sítio do GSMworld:
FIG. 2.4
Mapa de cobertura do sistema GSM/GPRS na Europa
44
Na FIG. 2.4 acima, nota-se a grande penetração da cobertura GSM/GPRS na
Europa, região que impulsionou e fortificou a consolidação do sistema GSM como
sendo o padrão móvel celular mais difundido no mundo.
FIG. 2.5
Mapa de cobertura do sistema GSM/GPRS na América do Norte e Central
Na FIG. 2.5 acima, pode-se notar que os Estados Unidos, mesmo sendo um
dos principais países que mais difundiram a tecnologia concorrente CDMA, possuem
expressiva oferta de cobertura na difusão dos serviços oferecidos pela tecnologia
GSM. Este sem dúvidas é um importante indicador da tendência mundial de se
utilizar o sistema GSM como principal padrão de tecnologia móvel celular, frente à
grande penetração e adoção principal do GSM nos outros países do mundo.
FIG. 2.6
Mapa de cobertura do sistema GSM/GPRS na Ásia
Na FIG. 2.6 acima, vale notar que a tecnologia GSM/GPRS também está
presente de forma expressiva nos principais países da Ásia. Outra importante
observação que deve ser feita no referido mapa é que a cobertura GSM na Coréia
45
do Norte e Sul praticamente inexiste, devido ao protencionismo político coreano
frente à tecnologia CDMA.
FIG. 2.7
Mapa de cobertura do sistema GSM/GPRS na África
Na FIG. 2.7 acima, nota-se que ocorre também de forma análoga a difusão
dos sistemas GSM na Africa, embora na maior parte de cobertura GSM ainda não
seja oferecido o serviço GPRS. Apenas na parte sul da África e em algumas
localidades mais próximas da europa que se encontram atualmente operacionais
serviços GPRS. Para as outras regiões hachuradas demonstradas, apenas existem
previsões para implantação de serviço GPRS nas redes GSM operativas.
FIG. 2.8
Mapa de cobertura do sistema GSM/GPRS na Oceania
Na FIG. 2.8 acima, pode-se comentar que a cobertura GSM/GPRS nos países
da Oceania ocorre de forma localizada, atendendo principalmente os grandes e
importantes centros urbanos. Nesta figura, tem-se a impressão erronea de que a
tecnologia GSM não está bastante difundida na Oceania. Entretanto, deve-se levar
46
em conta que a Austrália é um país com dimensões continentais e portanto, não
possui toda sua extensão territorial com possibilidades potencialmente interessantes
para que se implementem sistemas móveis. A seguir será mostrado que ocorre de
maneira similar no caso do Brasil.
FIG. 2.9
Mapa de cobertura do sistema GSM/GPRS na América do Sul
Finalmente na FIG. 2.9 acima, apresenta-se o mapa de cobertura GSM/GPRS
da América do Sul. Da figura, deve-se notar que o Brasil possui uma cobertura
bastante regionalizada como é o caso da Austrália e de alguns outros países com
grande extensão territorial. Isto ocorre devido ao fato de ainda se possuir muitas
regiões inóspitas como florestas e reservas silvícolas, que não justificam, neste
momento, uma maior disponibilidades de serviços móveis em tais regiões, que são
pouco ou nada desenvolvidas economicamente falando.
Nesta fase da maturidade da rede GSM, houve mais uma contribuição
científica que permitiu manter otimista a sociedade em relação ao futuro das redes
TDMA. Eis que surge o EDGE, abordado a seguir.
2.15. EDGE – ENHANCED DATA RATES FOR GSM EVOLUTION
O EDGE é um padrão digital que foi desenvolvido para possibilitar o aumento
da taxa de dados para serviços digitais já oferecidos pela rede GSM. Este aumento
47
é obtido basicamente pelo uso de modulação em fase digital (8-PSK), além do
tradicional 0,3GMSK para cada portadora dos canais de RF. Desta forma, fica
possível oferecer taxas de dados até 59,2 kbps por Janela de tempo (Timeslot), o
que possibilitaria o oferecimento de conexões de dados de até 473,6 kbps (para o
caso de termos um usuário utilizando os oito timeslots de uma mesma portadora RF
do sistema GSM). (ERICSSON, AB2003).
Esta solução mantém a estrutura básica de canalização do GSM, apesar de
implicar instalação de transceptores com modulação 8-PSK para os canais de RF
dedicados a esta aplicação. Além de exigir a total substituição dos terminais dos
usuários que se interessarem por utilizar do serviço, pois as novas taxas de dados
somente são atingidas com o uso da modulação do tipo PSK.
A seguir, a FIG. 2.10 exemplifica o funcionamento básico de uma rede EDGE
e em seguida, na TAB. 2.4, a comparação qualitativa entre estes dois sistemas:
FIG. 2.10
Compatibilidade GPRS x EDGE na rede GSM
TAB. 2.4
Comparativo entre GPRS e EDGE
No EDGE são definidas 9 esquemas de modulação/codificação diferentes
mostrados na TAB. 2.5:
48
TAB. 2.5
Classes de taxas EDGE
2.15.1. COBERTURA DO EDGE NO MUNDO
Apesar de ser bastante atraente em sua proposta para melhorar a taxa de
transmissão de dados, o EDGE ainda não se materializou, em grande parte dos
mercados mundiais, na sucessão do GPRS das redes GSM. Apenas alguns poucos
países implementaram de forma embrionária este sistema, afim de impulsionar o
mercado internacional a seguir os mesmos passos.
Vale ressaltar que na América do Sul, atualmente, apenas o Chile possui o
sistema EDGE implementado. No Brasil, também começam a surgir movimentações
das operadoras no sentido de implementação do EDGE nas principais capitais.
A seguir, a FIG. 2.11, obtida no sítio oficial do GSMworld, ilustra o panorama
internacional sobre a operacionalização do EDGE como sendo realidade atual de
mercado:
FIG. 2.11
Rede EDGE no Mundo
49
As sucessivas crises econômicas internacionais, principalmente ligadas ao
mercado tecnológico, funcionaram como o freio maior na imediata aceitação e
absorção destes custos de implementação por parte dos usuários. A partir daí, a
comunidade científica, juntamente com os Operadores das grandes de redes móveis
celulares no mundo, começaram a desenvolver um novo sistema que realmente
atingisse às espectativas de taxas de dados para a tão almejada Terceira Geração
Móvel Celular.
Após vários encontros científicos e fórums de discussões sobre a 3G, chegouse a conclusão de que a referida sucessão para o caso das Redes GSM implicaria
modificação total da técnica de acesso utilizada. Deixaria de ser TDMA\FDMA e
passaria a ser do tipo CDMA\FDMA, por motivos de esta apresentar melhor
eficiência para tráfego de dados a taxas mais altas que aquelas. Estes detalhes
serão mais aprofundados mais a frente quando forem abordadas as técnicas de
acesso da 3G.
50
3. SISTEMA IS-95
Também conhecido como CDMA, o IS-95 surgiu primordialmente em
aplicações militares, onde a comunicação deveria ser realizada em caráter de
extremo sigilo e com confiabilidade entre os comunicantes, para que se dificultasse
a terceiros, a interceptação dessa comunicação e, conseqüentemente, a realização
de escuta da informação.
Utiliza técnica de espalhamento espectral, onde o código responsável pelo
espalhamento da informação deve ser conhecido apenas pelos comunicantes
interessados, e a informação, depois de ser espalhada, é transmitida próxima ao
patamar de ruído, ou seja, com baixa potência (LEE & MILLER, 1998).
Este padrão utiliza técnica de acesso do tipo FDMA/CDMA, onde seu
espectro reservado é subdividido em sub-portadoras FDMA de 1,25MHz,
aproximadamente, em cada sentido de transmissão.
Possui modulador digital do tipo QPSK e permite funcionamento simultâneo
com o sistema AMPS, devido a utilizar ainda a mesma faixa de frequências
originalmente ocupada pelo sistema analógico no Brasil.
Em sua primeira versão apresentada pela proprietária Qualcomm, foi
prometido capacidade infinita por célula com reuso de freqüência 1, o que gerou
grande expectativa no mercado mundial a seu respeito. Após as primeiras
simulações e experimentos práticos, foi constatado que o IS-95 não seria realizável
nos moldes inicialmente propostos, devido as não ideais propriedades físicas do
canal de propagação de ambientes móveis.
A seguir, a FIG. 3.1 mostra didaticamente a idéia do espalhamento espectral
(spread spectrum).
51
FIG. 3.1
Conceituação de ortogonalidade e espalhamento espectral
Matematicamente, consegue-se tornar este processo realizável, devido a
utilização de funções ortogonais entre si, ou seja, a correlação cruzada entre uma
função de espalhamento com todas as outras funções será sempre zero. Estas
funções, representadas por sequências de 1s e –1s, precisam ainda ser pseudoaleatórias, ou seja, possuir na média, o mesmo número de 1s e –1s. E ainda, para
que possam ser detectadas pelas Estações Móveis sem maiores problemas, as
seqüências precisam possuir autocorrelação normalizada igual a 1. Desta forma,
serão apresentados brevemente as formas de se materializar todo este processo de
espalhamento no enlace direto (ERB -> EM):
Um processo recursivo para gerar as funções com tais propriedades
descritas, nas ERBs sincronizadas por GPS, são os códigos de WALSH através da
matriz de HADAMARD representada na FIG. 3.2:
FIG. 3.2
Matriz de Walsh-Hadamard
Na prática, N=32 para o IS-95, gerando uma matriz 64x64, com 64
seqüências ortogonais entre si, que serão os 64 canais disponíveis por portadora RF
no sistema, para a efetiva transmissão de dados no enlace direto. Estas seqüências
não são utilizadas para espalhar o sinal de dados ou de informação do usuário, elas
apenas são utilizadas no processo, devido as suas propriedades ortogonais, que
diferenciam os 64 canais disponíveis e propiciam a detecção coerente nas Estações
Móveis (EM) ativas.
52
No enlace direto, o espalhamento de cada canal ortogonal na taxa de
1,2288Mcps fica por conta da seqüência pseudo-aleatória (PN) em fase e
quadratura, que é obtida através da combinação das saídas de um registrador de
deslocamento de n estágios com realimentação linear.
A seguir na FIG. 3.3, o diagrama esquemático que representa tal registrador:
FIG. 3.3
Geração de seqüência Pseudo-aleatória (PN)
3.1. ESPALHAMENTO ESPECTRAL DO ENLACE DIRETO
Uma observação importante é que, no sistema CDMA, todas as ERBs utilizam
a mesma seqüência PN de espalhamento, conforme mostrado na Fig.-3.3,
diferenciando-se uma das outras apenas por retardos (offsets) predefinidos da
seqüência original. Neste caso, as seqüências de WALSH são utilizadas pelo fato de
gerarem funções ortogonais entre si, pois diferenciam os 64 diferentes canais, a fim
de viabilizar a transmissão do enlace direto. Isto porque todas as EMs podem
realizar detecção coerente, devido a recuperarem referência de fase do canal piloto
e sincronismo através do próprio canal de sincronismo. A FIG. 3.4 mostra o
diagrama ilustrativo de como ocorre o espalhamento espectral no enlace direto:
53
FIG. 3.4
Espalhamento no Enlace Direto
3.2. CARACTERIZAÇÃO DOS CANAIS DO ENLACE DIRETO
No enlace direto existem quatro tipos de canais:
1) Canal Piloto: Possui taxa bruta de dados de 9,6kbps antes do
espalhamento. É caracterizado pela sequência de WALSH com os 64 bits zeros.
Este é um importantíssimo canal, pois permite que as EMs obtenham referência de
fase da seqüência PN para realizarem detecção coerente da informação. Permite
ainda, que as EMs identifiquem a ERB com a qual estão se comunicando, através
da monitoração do offset do canal piloto da ERB comunicante, além de conhecer
também os outros offsets dos pilotos das demais ERBs vizinhas.
Quando uma EM é ligada, inicia-se um processo de busca e análise de
amplitude de sinais pilotos com melhor qualidade através do seu mecanismo de
correlação do sinal de recepção da EM, aqueles sinais com maior intensidade
entrarão em atividade com a referida EM.
O canal piloto também assessora os terminais a escolherem e medirem o
nível de recepção do canal piloto das ERBs candidatas (com nível de sinal favorável
ao estabelecimento de conexão) e vizinhas (aquelas em que o nível de sinal do
canal piloto atinge um patamar próximo ao aceitável àquele que seria favorável ao
estabelecimento de conexão), para decidir sobre eventuais Handoffs.
2) Canal de sincronismo: Possui taxa bruta de dados de 9,6kbps antes do
espalhamento. É um canal que, muito além de oferecer o sincronismo às EMs, a
partir da referência de GPS instalados nas ERBs, transporta também, até as EMs
54
servidas, a versão do sistema operativo em atividade e a versão do sistema
operativo mais antigo aceitável.
Outra característica também deste canal é informar às EMs o SID (System
Identification Number) e o NID (Network Identification Number), além do próprio
offset da seqüência PN do canal piloto. Informa ainda, a taxa de transmissão que é
praticada nos canais de paging desta ERB, para tanto, o canal de sincronismo utiliza
o mesmo offset do canal piloto relativo a sua ERB.
Uma característica principal do canal de sincronismo é possuir seqüência de
32 zeros e 32 uns no código de WALSH (corresponde a linha 32 da matriz de
HADAMARD). A seguir, na FIG. 3.5 ilustração do processo de espalhamento do
canal de sincronismo no enlace direto:
FIG. 3.5
Espalhamento no Canal de Sincronismo
3) Canal de Busca (Paging): Possui taxa bruta de dados de 9,6kbps antes do
espalhamento. Sua principal função é carregar informações e instruções do sistema
da rede CDMA, que podem ser traduzidas como aviso de recebimento de chamadas
(ou alerta); confirmação à requisição de acesso feita pela EM; decisões sobre
requisições de handoffs feitas pela rede; listagem de ERBs vizinhas e seus
respectivos Offsets da seqüência PN do canal piloto; quantidade de canais de
acesso disponíveis pela ERB ativa; instrução de ordem para que a EM desligue seu
transmissor até contra-ordem, a fim de evitar que o nível de interferência fique fora
do limiar aceitável na recepção da ERB; informar quando a própria EM precisa de
manutenção; parâmetros de Handoffs observados pela ERB. Na FIG. 3.6, ilustração
do processo de espalhamento do canal de paging no enlace direto:
FIG. 3.6
Espalhamento no Canal de Paging
55
4) Canal de Tráfego: Possui taxa bruta de dados de 9,6kbps antes do
espalhamento. É o canal disponibilizado para ocorrer a comunicação efetivamente.
No serviço de voz digitalizada (codificador CELP), pode-se utilizar até quatro taxas
diferentes – 9,6kbps, 4,8kbps, 2,4kbps e 1,2kbps, dependendo da atividade de voz
de cada locutor. A taxa efetivamente utilizada pelo sistema no enlace direto não é
informada às EMs, pois estas devem decodificar o sinal recebido nas quatro taxas
possíveis e decidir qual a taxa correta baseado na análise da taxa de erros
encontrada em cada uma das possíveis taxas decodificadas para o sinal recebido.
Na FIG. 3.7, ilustração do processo de espalhamento do canal de tráfego no
enlace direto:
FIG. 3.7
Espalhamento no Canal de Tráfego
3.3. ESPALHAMENTO ESPECTRAL DO ENLACE REVERSO
No enlace reverso, o espalhamento espectral ocorre a princípio em duas
etapas:
A primeira é realizada quando se objetiva ortogonalizar o sinal aplicando-se
os codigos de WALSH ao sinal. É importante frizar que a intensão nesta etapa é de
se ortogonalizar o sinal, a fim de que seja facilitada sua detecção pelas ERBs, pois
estas possuem sistema de detecção de sinal não coerente devido ao não
sincronismo das EMs na transmissão do enlace reverso. Daí a importância
fundamental de se utilizar as seqüências ortogonais de WALSH.
56
A segunda etapa, e também a mais importante no processo do espalhamento
espectral do enlace reverso, é realizada pela seqüência PN, que finalmente espalha
o sinal em fase e quadratura na taxa final de 1,2288Mcps. Na FIG. 3.8, é
apresentado o diagrama esquemático do processo de espalhamento do enlace
reverso:
FIG. 3.8
Espalhamento no Enlace Reverso
Um retardo de ½ chip é inserido no processo, a fim de que se reduza a
envoltória do sinal, pois ao se mudar de um estado de chip para o seguinte, a
envoltória do sinal nunca irá passar por zero. Este artifício permite que os
amplificadores de potência das EMs operem na região não linear, sem causar
maiores problemas ao sistema, barateando com isso o custo de fabricação das EMs.
3.4. CARACTERIZAÇÃO DOS CANAIS DO ENLACE REVERSO
O enlace reverso no sistema CDMA possui apenas dois canais, a saber:
1)
Canal de Acesso: Possui taxa bruta de dados de 9,6kbps antes
do espalhamento e opera sempre com taxa útil de 4,8kbps. É utilizado pelas
EMs nas tentativas de originar chamadas (ocupar canal de tráfego), resposta
a instruções e ordens recebidas pelo canal de busca (paging) e ainda, para
que as EMs ativas em modo de espera de chamadas na célula (standby),
realizem registro na rede após realizar handoff, por exemplo.
57
Por ser assíncrono, o enlace reverso do sistema CDMA, várias EMs
disputam o mesmo canal de acesso para responder a pagings ou tentar
originar chamada (alocar canal de tráfego). Por isso, o sistema CDMA
precisou estipular determinadas regras de acesso chamados de Tentativas de
Acesso (Access Probes), que visam reduzir probabilidade de colisão na
tentativa de uso destes canais por conta das EMs. A cada falha na tentativa
de uso no canal de acesso, devido a, por exemplo, outro usuário o ter
ocupado antes, a EM interessada aguarda um tempo conhecido como backoff
delay até injetar novamente outra Tentativa de Acesso no sistema e assim
sucessivamente, até que esta EM consiga realizar conexão com a rede
através do canal de acesso.
Na FIG. 3.9, é apresentado o diagrama esquemático do espalhamento
espectral do canal de acesso do enlace reverso:
FIG. 3.9
2)
Espalhamento no Canal de Acesso
Canal de Tráfego: Possui taxa bruta de dados de 9,6kbps antes
do espalhamento. Este canal é utilizado quando uma EM ativa no sistema
CDMA está em comunicação com outro usuário, seja da própria rede CDMA
móvel, TDMA móvel ou até mesmo quando em comunicação com um usuário
da rede de telefonia fixa.
Outra funcionalidade do canal de tráfego ocorre quando há um usuário
ocupando o canal para comunicação e a rede necessita realizar algum tipo de
instrução com esta EM, por exemplo, instrução de handoff e controle de
potência. Através da técnica blank & burst, a rede CDMA tira determinadas
parcela de dados de informação útil do usuário e injeta, nestas lacunas
geradas, as instruções de gerenciamento e controle necessárias.
58
Na FIG. 3.10, é apresentado o diagrama esquemático do espalhamento
espectral do canal de tráfego no enlace reverso:
FIG. 3.10
Espalhamento no Canal de tráfego Enlace Reverso
3.5. MODULAÇÃO
O sistema IS-95, utiliza modulação do tipo QPSK (Quadrature Phase Shift
Keying), onde cada combinação de bits, dois a dois resultantes, em fase e
quadratura, representam um estado da fase da portadora a ser transmitida.
Na TAB. 3.1, é presentada uma tabela esquemática para a interpretação da
fase do sinal PSK em questão:
TAB. 3.1
Esquema de Modulação QPSK utilizada no CDMA
59
3.6. PROCESSAMENTO DE CHAMADAS NO SISTEMA IS-95
No sistema IS-95, o processamento de chamadas pode ser subdividido em
quatro estágios. Na FIG. 3.11, é apresentada uma ilustração seqüêncial de tais
estágios:
FIG. 3.11
1)
Processamento de chamadas no CDMA
Estágio de inicialização do terminal. Possui quatro fases, a saber:
a) EM seleciona algum sistema CDMA local para realizar sua conexão
à rede. Caso não haja sistema disponível para o usuário, a EM tenta
ainda conectar-se a um sistema analógico.
b) Após sua conexão à rede CDMA, a EM adquire o canal piloto.
c) O próximo passo é a EM adquirir o canal de sincronismo para
sincronizar-se à rede e receber ainda,
informações sobre a
configuração do sistema CDMA disponível.
d) Por fim, nesta fase, a EM ajusta seu relógio, prepara-se para receber
o canal de page e iniciar o processo de registro.
2)
Estágio IDLE. Neste estágio, a EM realiza diferentes tarefas como:
a) Monitoramento cíclico do canal de Busca (Paging).
b) Realiza registros no sistema, que são solicitados pela rede.
60
c) Realiza Idle Handoff, ou seja, começa a monitorar o canal de
paging de outra ERB. Notar que ao realizar o Idle Handoff a EM
deixa de receber mensagens do canal de paging originário e passa
a receber instruções do novo canal de paging sintonizado.
Enquanto monitora o canal de Busca (paging), a EM pode responder a
mensagens de paging recebidas, responder a ordens da ERB, receber informações
de overhead, como parâmetros do sistema, listagem de ERBs vizinhas, listagem de
canais de paging de ERBs vizinhas. Pode inclusive, responder a ordens recebidas
das ERBs, iniciar chamadas e ajustar sua potência de transmissão.
3)
Estado de Acesso. A transição do estado de Idle para o de acesso
se dá quando a EM é requisitada a mandar alguma mensagem em
algum dos canais de acesso. Estas mensagens podem ser:
a) Mensagem de registro – quando a EM necessita fazer uma
atualização de sua localização.
b) Mensagem de originação – quando a EM quer realizar uma
chamada e ocupar um canal de tráfego.
c) Resposta a um Paging – logo após ter recebido alguma requisição
pelo canal de paging do enlace direto.
d) Mensagem de ordem – quando ocorre uma troca limitada de
mensagens entre ERB e EM, sem que tenha sido estabelecido um
canal de tráfego para isso. No enlace direto, instruções do sistema
são enviadas pela rede através do canal de paging.
4)
Estágio de controle durante a chamada. A EM passa a este estágio,
quando recebe da rede confirmação de que conseguiu acessar um
canal de tráfego. Neste estágio, a EM deve realizar as seguintes
tarefas:
a) Inicializar o canal de tráfego, após receber transmissão no canal de
tráfego do enlace direto designado pela rede para a chamada.
b) Transmitir e receber os pacotes de informação enquanto perdurar a
chamada. Durante este período de conversação, a rede pode enviar
61
comandos e informações do sistema para a EM através do próprio
canal de tráfego do enlace direto utilizando a técnica Blank & Burst.
c) Liberação do canal de tráfego após o término da conversação.
3.7. TIPOS DE HANDOFFS DO CDMA
O sistema CDMA possui o mais complexo e completo sistema de handoffs
implementados em redes móveis, pois tanto as EMs quanto as ERBs monitoram a
qualidade do enlace rádio e podem solicitar o início de um procedimento de handoff.
Os handoffs no sistema IS-95 ocorrem pelos mais variados motivos, dentre
eles, quando a rede detecta que determinada ERB está sobrecarregada, então
decide redistribuir melhor seus usuários. Quando não é mais possível sincronizar o
sinal recebido indicando que a EM não se encontra mais na área de cobertura da
ERB que originalmente a servia. Quando a EM detecta que o nível do canal piloto
está abaixo de um limiar predeterminado. Ou ainda, quando através de mecanismos
de controle de potência, a ERB ordena que a EM aumente muito seu nível de
potência de transmissão, excedendo o limiar máximo de operação permitido,
forçando a EM naquele momento a sintonizar-se em outra ERB do sistema, que
esteja com melhores condições de manter comunicação.
Partindo destes detalhes apresentados, o CDMA apresenta alguns conceitos
de handoffs bastante interessantes, que serão apresentados agora com um pouco
mais de detalhes:
62
3.7.1. SOFT HANDOFF
Devido ao sistema CDMA utilizar receptores do tipo Rake (ancinho), tanto nas
ERBs (com 4 elementos) quanto nas EMs (com 3 elementos), que permitem
combinar amostras de multipercursos do sinal de interesse, que reforçam a
intensidade e a qualidade do sinal de interesse recebido, além de permitir ao
sistema operar com reuso de freqüência igual a 1. É que torna possível a
materialização do soft handoff, pois ocorre quando duas ERBs ou setores recebem e
transmitem simultaneamente a mesma informação de uma comunicação com a
mesma EM, por trajetos diferentes.
Desta forma, quando for necessário ocorrer troca de canal ocupado pelo
usuário em movimento, por exemplo, esta não será perceptível ao mesmo, tendo em
vista que sua comunicação está estabelecida e garantida com mais de uma ERB.
O único incoveniente deste tipo de handoff fica por conta da parte fixa da
rede, que se congestiona porque, necessariamente, desprende o dobro de esforços
para realização de sinalização, controle e comando com apenas um único usuário.
Por outro lado, se for feito um bom gerenciamento destes recursos, o soft
handoff funciona como um descongestionante dos recursos rádio no sistema CDMA,
pois permite que o operador da rede tenha flexibilidade para redistribuir os usuários
pela rede de forma bastante eficiente.
3.7.2. HARD HANDOFF
O hard handoff ocorre nos sistemas CDMA, quando uma EM, que está em
movimento entre duas ERBs não sincronizadas entre si, ou quando, na ocasião do
handoff, utilizam portadoras RF diferentes. Este tipo de handoff pode ser iniciado
tanto pela EM (Mobile Assisted Handoff), quanto pela ERB (Base Station Assisted
Handoff), que monitoram constantemente a qualidade dos recursos rádios do
sistema.
63
Neste procedimento recursivo da rede, o usuário percebe nítidamente a
interrupção momentânea da chamada, e em alguns casos mais críticos, ocorre
inclusive a perda total da chamada, forçando o usuário a realizar rediscagem da
chamada.
3.8. CONTROLE DE POTÊNCIA DO SISTEMA CDMA
Para operar com bom desempenho, o CDMA precisa ter um rigoroso controle
de potência de transmissão, não somente para reduzir a interferência entre células
vizinha, mas principalmente para reduzir a interferência INTRA-CELULAR, tendo em
vista o fato de se utilizar, no sistema IS-95, fator de reuso de freqüência igual a 1.
O sistema CDMA não funciona sem um mecanismo preciso de controle de
potência, devido ao fato de seu princípio de funcionamento basear-se em transmitir
múltiplos usuários, na mesma faixa de freqüência, próximo ao patamar de ruído,
diferenciando seus canais apenas por códigos ortogonais.
Pode-se concluir, sem maiores problemas, que se por acaso algum usuário
vier a aumentar seu limiar de potência de transmissão, estará sobrepondo seu sinal
aos demais usuários, que estiverem naquele momento compartilhando a mesma
portadora do sistema em questão.
Na FIG. 3.12, é apresentada uma ilustração do processo de acesso ao meio
no sistema CDMA:
64
FIG. 3.12
Controle de potência no CDMA
Vale ressaltar que nas tecnologias de terceira geração muitos dos conceitos
apresentados no sistema IS-95 serão válidos, onde apenas serão feitas referências
às peculiaridades de cada modificação introduzida para cada nova tecnologia.
3.9. COBERTURA CDMA
A cobertura Mundial dos sistemas móveis do tipo CDMA, apesar de serem
titulados como os sistemas de capacidade infinita e com possibilidade de reuso um
(situação ideal), não permitiu que se pudesse investir em uma expressiva expansão
deste sistema inicialmente como se previu.
Apenas os Estados Unidos e a Coreia apostaram na idéia do sistema CDMA
e investiram no desenvolvimento desta tecnologia, que, como se foi mencionado
anteriormente, é de propriedade da empresa Norte-americana Qualcomm. Devido,
principalmente, ao CDMA ser uma tecnologia proprietária, apenas alguns países
adotaram esta tecnologia como o principal padrão para as suas redes móveis
celulares. Muitas das vezes esta escolha teve influência muito mais politicoeconômica do que propriamente técnica, devido à pressão indireta que os Estados
Unidos exerciam sobre estes países que o tinham como aliado econômico.
65
Nesta situação, tem-se como exemplo o caso do Brasil, que inicialmente
adotou o CDMA como sendo o principal padrão para as redes móveis existentes,
herdadas dos sistemas AMPS de primeira geração. Ná época, já se havia idéia real
do potencial da rede GSM, inclusive de sua possibilidade de prover cobertura
mundial, pois na europa e em grande parte do mundo, já se fazia uso dos sistemas
GSM.
Na FIG. 3.13 abaixo, apresenta-se o percentual de penetração e utilização
das diferentes tecnologias móveis celulares no mundo. Vale notar que no percentual
apresentado para a tecnologia CDMA já estão inclusos os serviços de 3G, pois
como será mostrado mais à frente a evolução destas redes ocorre de forma suave e
perfeitamente compatível.
FIG. 3.13
Penetração Mundial das diversas técnicas Móveis
Da FIG. 3.13, pode-se concluir que grande parte do sucesso atingido pelo
GSM se deve pelo fato de permitir compatibilidade para cobertura em outras redes
GSM no mundo, dependendo apenas de acordos comerciais e não de viabilidade
tecnológica, tendo em vista que esta tecnologia foi desenvolvida inicialmente com
este propósito também.
66
4. IMT-2000 – OS SISTEMAS DE TERCEIRA GERAÇÃO CELULAR
Frente a grande aceitação do mercado mundial dos serviços de telefonia
móvel, a sociedade vem influenciando e representando o incentivo principal para o
desenvolvimento e evolução das redes móveis celulares. Na busca incansável por
oferecer alta qualidade de serviço (QoS) tanto para serviços de voz quanto para
serviços de dados, a telefonia móvel não poderia ficar para trás na corrida
tecnológica e deixar de desenvolver e oferecer capacidade de tráfego de dados em
altas taxas, seguindo o modelo de serviços ofertados atualmente nas redes fixas.
Para as redes móveis, as metas de vazão efetiva de dados são baseadas nos
seguintes limiares: usuários com alta mobilidade (200km/h) taxa para download de
dados de 144kbps, usuários com pouca mobilidade (pedestre) taxa para download
de dados de 384kbps e por fim, usuários parados (ambiente interno) taxa para
download de dados de 2Mbps.
Para tanto, o meio científico vem buscando aprimorar cada vez mais as
tecnologias móveis existentes, a fim de que se atinjam todas as metas especificadas
para os serviços da terceira geração móvel, objetivando manter desta forma, as
principais características físicas existentes atualmente nas redes celulares, para que
seja minimizado ao máximo o custo desta evolução e, conseqüentemente, que se
permita efetivá-la de forma suave e gradativa, mantendo-se sempre este custo
dentro dos limites razoávies e seguros em face da magnitude do investimento
necessário para o feito. (LEE & MILLER, 1998), (Holma & TOSKALA, 2000),
(OJANPERÃ & PRASED, 1998), (ERICSSON, AB 2003), (MOTOROLA, 2000).
As propostas apresentadas e aceitas pelos organismos internacionais como
sendo a Terceira Geração celular, não agradaram muito às grandes operadoras de
redes móveis TDMA, tendo em vista que em todos os fórums de pesquisa, houve
uma convergência unânime para a utilização da tecnologia CDMA, como sendo a
técnica de acesso ao meio das tecnologias de Terceira Geração.
Este fato causou enorme impacto nos planos de evolução da tecnologia mais
utilizada no mundo – as redes GSMs. Pois esta evolução implicaria não só
67
modificação de todo o seu sistema rádio, mas também a completa inutilização e
substituição imediata das EMs operantes atualmente no mundo GSM. Desta forma,
a migração não ocorreria de forma suave e complementar, como sempre se é
almejado pelo ponto de vista macro-econômico de mercado. Certamente estes
fatores resultariam em um custo altíssimo envolvido no processo evolutivo, e que
obviamente em última instância, deveria ser absorvido pelo usuário final em
proporções inviáveis a curto e médio prazos.
Já para o caso do IS-95, esta evolução segundo as especificações ocorre de
maneira ideal. Com baixo custo relativo, tendo em vista que há uma continuidade na
tecnologia de acesso ao meio físico, o que não eleva os custos de forma
insustentável, devido a possibilidade da ocorrência de migração gradual, suave e
totalmente compatível com o IS-95, principalmente pelo ponto de vista das EMs de
assinantes existentes, que poderão continuar a utilizar seus terminais CDMA 2G
normalmente, e somente trocarem por um terminal CDMA 3G, quando fosse por sua
própria conveniência.
Na FIG. 4.1, é apresentado um diagrama esquemático sobre a tendência na
evolução das redes móveis celulares:
FIG. 4.1
Panorama das Comunicações móveis
A seguir serão apresentadas as propostas tecnológicas mais importantes para
a terceira geração celular.
68
4.1. SISTEMA WCDMA OU UMTS
O Wide Band CDMA (WCDMA) ou Universal Mobile Terrestrial System
(UMTS) é o padrão adotado como sendo o sucessor (3G) do padrão GSM (2G). Um
fato curioso, que merece o devido destaque pelo ponto de vista protencionista da
tradicional tecnologia TDMA, é que o UMTS utiliza tecnologia de múltiplo acesso do
tipo CDMA com seqüência direta, onde os vários usuários serão identificados por
códigos que serão espalhados pela mesma forma como ocorre no IS-95.
Estes usuários também serão diferenciados no sistema UMTS como era feito
no IS-95, através do uso do conceito do código de WALSH utilizando a matriz de
Hadamard. Sua única diferença neste caso para o do IS-95 é que, no UMTS, há um
aumento substancial do número de linhas e colunas da matriz de Hadamard em
relação aos apresentados originalmente na versão do IS-95 (Matriz 64x64).
A finalidade principal é prover aumento imediato na capacidade do sistema
em termos do número de canais disponíveis para usuários, além de permitir maior
ganho de espalhamento – possuindo taxa de espalhamento de 3,84Mcps (duração
do
quadro
de
10ms,
2560
chips/quadro,
e
15
slots
no
total.
Logo,
100x15x2560=3,84Mcps), tudo isso em fase e quadratura.
Em segundo plano e talvez o mais relevante de todos, prover
múltiplos
canais de tráfego simultâneos a um mesmo usuário para aumentar sua vazão de
dados final resultante. Vale ressaltar que a taxa de cada usuário varia
adaptativamente quadro a quadro, devido às instabilidades das condições do canal
de propagação, mobilidade do usuário, etc.
Outro fator importante que diferencia o UMTS do sistema IS-95 é o fato de
que são gerados sinais piloto tanto no enlace direto (Nó B -> Estação Móvel), quanto
no enlace reverso (Estação Móvel -> Nó B), o que permite que se realize detecção
coerente nos dois extremos. Esta versão CDMA de 3G será totalmente síncrona,
tanto no enlace direto quanto no reverso.
O padrão utiliza técnica de acesso do tipo FDMA/CDMA-DS, onde seu
espectro é subdividido em grandes portadoras FDMA de 5MHz aproximadamente
69
em cada sentido de transmissão (uma para o tráfego no enlace direto e outra para o
enlace reverso). Uma outra característica importante encontrada no sistema UMTS é
que, para o tráfego de dados, além do tradicional QPSK já utilizado para as taxas
mais baixas na versão do IS-95 (CDMA), será também utilizado o 16-QAM para
usuários que solicitem e estejam em condições favoráveis de receber as taxas mais
altas atingidas pelo sistema (teóricos 2,8Mbps).
Segundo a especificação do WCDMA, a taxa efetiva de download para
usuário pode variar desde 1,5kbps até 2,8Mbps. Vale rassaltar que esta última taxa
é teórica e só seria atingida, na prática, em situações ideais e com a utilização de
multicanais com o mesmo usuário.
4.1.1. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DA PARTE FÍSICA DA REDE UMTS
Algumas modificações foram inseridas na parte física de rádio-acesso da rede
GSM, para que se fosse possível realizar a evolução para o sistema de 3G (UMTS).
Certamente que a própria mudança radical da nomenclatura tradicional das redes
TDMA ocorreu principalmente por uma questão do impacto e rejeição tecnológica
causada no mercado, além de ter sido uma forte estratégia de marketing associada
a estas necessárias mudanças, devido as novas peculiaridades estruturais deste
novo sistema, que na ocasião de sua propositura gerou grande contestação.
Dentre as mudanças, deve-se citar a mais importante delas como sendo o Nó
B, que antes, no GSM, era conhecido como Estação Rádio Base (ERB), e que agora
recebeu a nova nomenclatura, principalmente devido a necessidade de total
substituição dos equipamentos da rede de acesso rádio. Além, é claro, de possuir
maior complexidade pela exigência de se transmitir pacotes de dados a maiores
taxas com multicanais por usuários e etc.
A FIG. 4.2, compara a estrutura da rede na era GSM, com a estrutura
proposta para a era UMTS:
70
FIG. 4.2
Comparação entre estrutura de rede GSM e UMTS
Da FIG. 4.2, nota-se que muito da rede fixa GSM será mantido, devido a já
possuir caracteristicas estruturais de rede adequadas à transmissão de dados que
foram herdadas pela implementação do sistema GPRS/EDGE.
Praticamente nenhum elemento novo deve ser inserido, apenas algumas
substituições de softwares e unidades controladoras adicionais como forma de
atualização e adequação da rede móvel existente (upgrade).
Em contra-partida nota-se, nesta mesma FIG. 4.2, que a rede de acesso rádio
será totalmente substituída devido a incompatibilidade dos dois sistemas de acesso
ao meio, pois passaria de acesso TDMA a acesso CDMA. Tal substituição exigiria
um custo de investimento quase que da mesma ordem de grandeza que se teria ao
implementar uma nova rede móvel celular. Seria necessário substituir também todas
as EMs existentes, devido ao fato de serem GSM (TDMA) e não permitirem
compatibilidade com a nova técnica de acesso ao meio.
4.1.2. ARQUITETURA BÁSICA DA REDE UMTS
Neste capítulo serão abordados detalhes sobre as características funcionais
deste novo padrão e será dado enfoque no atingimento das altas taxas de dados
conseguidas com o UMTS. Na FIG. 4.3 abaixo, um diagrama simplificado da
71
topologia de uma rede UMTS que ilustra alguns novos elementos, que serão
discutidos no decorrer deste capítulo.
FIG. 4.3
Características da rede UMTS
4.1.3. RNC – RADIO NETWORK CONTROLLER
Este é o elemento da rede responsável por controlar um grupo de Nós B da
rede. Sua principal função é controlar a carga de tarefas de comando e controle da
rede, como admissão e alocação de códigos nos enlaces estabelecidos com EMs,
além de gestão do congestionamento do tráfego de dados nas células.
Os RNCs podem assumir dois diferentes papéis na rede: O de Servidor RNC
(SRNC) e/ou o de Transição RNC (Drift RNC).
4.1.3.1. SRNC – SERVIDOR RNC
O SRNC é assim chamado quando realiza a terminação do enlace do circuito
através da interface de conexão com a Estação Móvel. Tal RNC será responsável
pela gestão das funções de sinalização com a parte fixa da rede (core network).
72
Realiza também funções de camada de nível 2 (MAC) na comunicação com o
terminal, além de gerenciar comandos de controle de potência do tipo outer Loop.
Este servidor é quem decide quando um determinado teminal móvel deve
realizar soft-handoff. Cada Estação Móvel (EM) se comunica apenas com um único
SRNC, ou seja, desde o momento em que a EM estabelece uma comunicação de
dados pela rede, independentemente de estar em movimento e passar a ser
atendida via handoff por um Nó B controlado por outro RNC, todo gerenciamento
desta conexão será mantido e controlado pelo SRNC originário da comunicação.
Ocorre uma transação hierárquica entre RNCs, a fim de que seja garantida a troca
de dados de comando e controle da conexão, através de qualquer RNC de transição
(DRNC) por onde o Terminal Móvel circular e enquanto durar esta comunicação.
4.1.3.2. DRNC – DRIFT RNC
O DRNC é assim chamado quando realiza o papel secundário em uma
conexão com um terminal móvel, pois ele é responsável por manter a conexão
anteriormente estabelecida e controlar os recursos rádio de sua área de cobertura.
Por exemplo, o DRNC ao receber uma Estação Móvel (EM), em sua área de
atuação, já em comunicação, apenas decidirá sobre handoffs e controle de potência
dentro de sua área de cobertura. O DRNC nunca raliza função de camada de nível 2
(MAC) em uma comunicação em curso, pois conduz a informação de forma
transparente até o SRNC responsável pela gerência desta conexão e daí até o Core
Network (CN).
É importante ressaltar, que no sistema UMTS é possível haver mais de um
DRNC para garantir a comunicação, basta que o terminal móvel esteja em
movimento e percorra diferentes áreas de cobertura, enquanto em comunicação.
Uma observação importante a ser feita é que a condição de Drift RNC ocorre
apenas para determinadas EMs devido a sua condição de mobilidade, pois para o
ponto de vista do Core Network (CN), todos estes elementos podem operar como
SRNC ou DRNC, dependendo apenas da oportunidade de cada Terminal móvel, no
73
momento do estabelecimento de chamada, ou seja, nada impede que o mesmo
RNC funcione para um assinante A como DRNC (oriundo de outro RNC via handoff)
e para um outro assinante B como um SRNC (originador da comunicação).
4.1.4. TAXA DE TRANSMISSÃO NO ENLACE REVERSO DO WCDMA
O transporte de dados no enlace reverso do sistema WCDMA, ocorre sempre
em um canal específico conhecido por DPDCH (Dedicated Physical Data Channel),
que possui ganho de espalhamento variável entre 4 e 256 chipsps/bitsps,
permitindo-se ainda a cada usuário utilizar de 4 a 6 códigos em paralelo para
aumento de taxa de dados transmitida resultante por EM ativa no enlace reverso.
Na TAB. 4.1, apresentam-se taxas de dados obtidas teoricamente no enlace
reverso:
TAB. 4.1
Taxas do Enlace Reverso no UMTS
Pode-se concluir da tabela acima, que quanto menor for a taxa de bits de
informação útil, maior será o ganho de espalhamento e, de modo análogo, quanto
maior a taxa de bits de informação útil, menor o ganho de espalhamento o será. Este
raciocínio é facilmente entendido, pois o ganho de espalhamento possui a seguinte
expressão:
Gesp =
Rchip
Rbits
74
Logo, se a taxa de espalhamento (Rchip) possui valor fixo, e a taxa de bits
(Rbits) aumenta, o Ganho de Espalhamento (Gesp) diminui por ser uma grandeza
inversamente proporcional a taxa de bits. A contrário senso, quando a taxa de bits
(Rbits) diminui, o Ganho de Espalhamento (Gesp) aumenta proporcionalmente, devido
a mesma propriedade em regra, na relação matemática.
4.1.5. TAXA DE TRANSMISSÃO NO ENLACE DIRETO DO WCDMA
O transporte de dados no enlace direto do sistema WCDMA, ocorre sempre
em um canal específico conhecido por DDPCH (Downlink Dedicated Physical
Channel), que possui ganho de espalhamento variável entre 4 e 512. Também é
possível uma configuração de ganho 4 com 3 códigos em paralelo servindo um
mesmo usuário, a fim de que se assegure a alta taxa de dados resultante, recebida
por cada EM ativa no enlace direto.
Deve-se notar que a taxa líquida máxima recebida por usuário no enlace
direto varia entre 1,5kbps e 2,8Mbps, além disso, a taxa total de espalhamento para
qualquer configuração de taxa de bits de informação é de 7,68Mcps, pois o
espalhamento ocorre sempre em fase e quadratura com taxas idênticas de
3,84Mcps.
Abaixo é apresentada a TAB. 4.2 exemplificativa da taxa de dados referida no
enlace direto para o caso de se utilizar em diferentes tipos de modulação digital com
15 códigos em paralelo com o mesmo usuário:
TAB. 4.2
Taxa x Esquema de modulação no Enlace direto
75
É importante notar que o tipo de modulação também será alterada à medida
que a taxa de dados aumenta, pois a eficiência espectral dobra com o uso do 16QAM em relação ao QPSK.
M=2k
Onde M é o número de níveis/estados possíveis da portadora;
E k é o número de bits necessários para representar estes níveis em código
binário.
Para o 16-QAM, M=16 e k=4, código convolucional a taxa 2/4 tem-se taxa de
dados efetiva de 7,2 Mbps;
Para o QPSK, M=4 e k=2, código convolucional a taxa 2/4 tem-se taxa de
dados efetiva de 3,6 Mbps.
Apenas por mudar o tipo de modulação digital utilizada, já se obtém o dobro
no ganho da taxa efetiva de dados no enlace direto.
4.1.6. COBERTURA ATUAL DO WCDMA NO MUNDO
Apenas alguns países no mundo investiram na implementação do sistema
WCDMA (sucessor 3G do sistema GSM). Para maiores detalhes percentuais vide
FIG. 3.13. Dentre eles, pode-se dizer que em sua grande maioria são países
europeus desenvolvidos, que mesmo em face de grandes custos de implementação,
possuem potenciais mercados consumidores que justificam tal investimento (para
maiores detalhes sobre países que operem serviços 3G (WCDMA) consultar o sitio
www.gsmworld.com).
Já os países em desenvolvimento, como é o caso do Brasil, onde os
mercados consumidores não respondem rapidamente ao retorno do investimento
necessário, as redes móveis celulares permanecerão um pouco mais em sua
segunda geração e segunda geração evoluída, principalmente devido ao fato do
aparecimento de alternativas promissoras como as WLANs, que serão apresentadas
nos capítulos seguintes.
76
4.2. SISTEMA CDMA 2000
O sistema CDMA 2000 é uma solução de terceira geração (3G) baseada no
sistema IS-95. Naturalmente, é uma evolução do padrão de redes móveis celulares
2G e suporta os serviços de 3G definidos pela União Internacional de
Telecomunicações (ITU - International Telecommunications Union) para o IMT-2000.
As redes 3G são capazes de disponibilizar serviços sem fio com melhor
desempenho, menor custo efetivo e aumento significativo de conteúdo multimídia.
Na FIG. 4.4, é apresentado um esquema para ilustração da proposta de
evolução para o sistema CDMA.
FIG. 4.4
Evolução do CDMA
Os sistemas IS-95 e CDMA 2000 estão baseados na tecnologia de múltiplo
acesso por divisão por código. Estas redes transmitem conversações codificadas e
dados sobre uma faixa de espectro de freqüência limitado a 1,25 MHz, permitindo
que um grande número de usuários compartilhem, simultaneamente, esta mesma
portadora.
O CDMA 2000 é um sistema da família de acesso de Rádio do tipo CDMA
que possui interface compatível para viabilizar, promover e facilitar a convergência
das redes de terceira geração. O maior objetivo no desenvolvimento deste sistema
é, sem dúvidas, promover cobertura global e transparente entre os dois diferentes e
emergentes sitemas de Terceira Geração Móvel - O CDMA2000 e o WCDMA.
77
Segundo as especificações das redes na versão CDMA 2000, é possível
oferecimento de compatibilidade reversa, ou seja, existe a possibilidade de
coexistência pacífica e complementar na evolução do sistema IS-95 para o CDMA
2000, o que protege os investimentos remetidos pelas operadoras de sistemas
móveis CDMA de Segunda Geração, além de não causar grandes transtornos para
os existentes e operantes usuários das redes CDMAs de Segunda Geração. Isto
significa que ambos os terminais IS-95 e CDMA-2000 podem operar em áreas de
cobertura de ambas as redes.
O padrão CDMA 2000 para suporte a rede de dados se desenvolveu em duas
fases:
A primeira fase do CDMA2000 - ou CDMA2000 1X – é capaz de disponibilizar
picos de taxas de dados de 153Kbps.
A segunda fase – denominada CDMA2000 1xEV - as taxas de dados serão
superiores a 2 Mbps.
4.2.1. CDMA 2000 1X
O sistema CDMA 2000 1X – obteve a especificação de sua versão concluída
em 2000, quando pela primeira vez foi publicado pela Associação das Indústrias de
Telecomunicações (TIA - Telecommunications Industry Association). Em sua
proposta, o CDMA 2000 1X oferece aproximadamente o dobro da capacidade de
voz do IS-95, atinge picos de taxas de dados no enlace direto de até 153Kbps,
permite compatibilidade reversa com as redes IS-95 existentes, além de muitas
outras melhorias de desempenho.
A denominação 1X no padrão refere-se à implementação de CDMA 2000
dentro das alocações de espectro existentes para portadoras de 1,25 MHz. O termo
técnico é derivado de N=1, ou seja, uso da uma única subportadora FDMA de 1,25
MHz como no sistema IS-95. Em outras palavras, este 1X significa 1,25 MHz por
subportadora.
78
Outra grande vantagem do sistema CDMA2000 1X é que pode ser
implementado no espectro CDMA existente atualmente ou em novas alocações de
espectro.
4.2.2. CDMA 2000 1XEV OU HDR (HIGH DATA RATE)
A evolução da versão do CDMA 2000 além de 1X é atualmente denominada
CDMA 2000 1xEV. Este sistema 1xEV será dividido em dois estágios: O 1xEV-DO e
o 1xEV-DV.
O primeiro estágio, 1xEV-DO, tem como significado para EV-DO - EVolution
Data Only, ou Somente Evolução na parte de Dados. Este padrão é capaz de prover
taxas de dados mais altas do que nos sistemas 1X. Para tanto, o sistema requer
uma portadora independente para tráfego de dados. Contudo, esta portadora é
capaz de realizar handoffs com uma portadora do sistema CDMA 2000 1X, e se for
necessário, voltar a oferecer, simultaneamente, serviços de voz e dados sob a
mesma portadora.
Ao alocar uma portadora em separado para dados, as operadoras poderão
fornecer picos de taxas acima de 2 Mbps (melhor caso) aos seus clientes de dados,
hajam vista os poderosos algorítmos corretores de erros atualmente implementados
e disponíveis nestes sistemas.
O segundo estágio 1xEV-DV, tem como significado para EV-DV -EVolution
Data and Voice, ou Evolução em Dados e Voz. Este padrão disponibilizará serviços
de dados e voz para o CDMA 2000 novamente em uma mesma portadora de
1,25MHz. Nesta nova filosofia do padrão, a portadora não somente transportará voz
e dados em alta velocidade, mas também disponibilizará serviços com padrão QoS
para entrega de pacote em tempo real, oriundos de aplicações específicas como
ocorre, por exemplo, em serviços de video conferência.
Ambos os estágios de evolução do CDMA 2000 1xEV fornecem serviços
avançados do CDMA 2000 usando uma portadora de 1,25 MHz. Desta forma,
podemos dizer que a evolução do CDMA 2000 continuará, portanto, possibilitando
79
compatibilidade reversa com as redes CDMAs nas versões anteriores e
compatibilidade à frente com cada estágio seguinte de sua evolução.
Na FIG. 4.5, é apresentada uma estimativa da escala de evolução para o
sistema CDMA:
FIG. 4.5
CDMA 2000
4.2.3. VISÃO GERAL DO SISTEMA
Nos sistemas da família CDMA 2000 NX-EV, os Pontos de Acesso ou ERBs
estão sempre sincronizadas com o sistema e também com as EMs servidas na
região de cobertura, devido a implementação de sinal piloto nos dois sentidos:
Enlace direto e reverso. Isto permite que seja realizado tanto no enlace direto quanto
no enlace reverso deteção de sinal coerente, além de permitir que haja maior
número de soft handoffs, o que diminui congestionamentos no enlace rádio,
permitindo aumento considerável da capacidade deste sistema.
Em contra-partida, o aumento de soft handoffs nestes sistemas, congestiona
a parte fixa da rede devido ao aumento de rotinas de controle e gerenciamento
relativos a alta troca de sinalização.
Um outro fator positivo, devido a total sincronização do sistema, é a
diminuição da necessidade de o sistema realizar hard handoffs, onde ocorre, na
maioria das vezes, a perda da chamada.
Outra novidade incremental do sistema CDMA 2000 NX-EV também está na
taxa de espalhamento espectral ser escalonável segundo a expressão 1,2288 X N
Mcps, pois segue a mesma característica de proporcionalidade do valor de N, onde
N indica o número de portadoras de 1,25MHz utilizadas pelo sistema em questão.
80
Este será o fator responsável pela nomenclatura comercial do sistema no mercado.
Por exemplo, CDMA 2000 1X, CDMA 2000 3X, CDMA 2000 6X, etc.
É baseado neste princípio, que se pode dizer que o sistema CDMA 2000 NX
permite operação de cobertura internacional, inclusive em compatibilidade com o
sistema 3G (WCDMA) oriundo das redes GSMs.
Abaixo, um exemplo de especificação e dimensionamento para o CDMA 2000
NX-EV:
O espaçamento entre portadoras é caracterizado da seguinte forma:
1,25 X N Mhz + 2g com faixa de guarda de 625 KHz.
Ex.: CDMA 2000 3X ocupa faixa de 5MHz e taxa de espalhamento Espectral
de aproximadamente 3 x 1,2288Mcps (Permite compatibilidade com a proposta do
WCDMA, com pequenos ajustes).
Para o CDMA 2000 NX-EV atingir altas taxas de transmissão no enlace direto
(sentido ERB(PA) -> EM), utiliza-se o conceito de recepção multicanais por EM. O
sinal em altas taxas é “quebrado” em taxas menores, que são então transmitidos à
EM em N diferentes canais (N diferentes códigos de Walsh-Haddamar).
Vale ressaltar que nesta nova proposta de Terceira Geração CDMA, os
usuários não mais recebem simultaneamente dados no enlace direto. Ocorre uma
Multiplexação por Divisão no Tempo (TDM) que organizará de forma criteriosa,
janelas de tempos em que cada usuário estará realizando o Download de
informações da ERB, ou Ponto de Acesso, de forma cíclica. Desta maneira, é
possível garantir que haja uma distribuição de capacidade mais justa entre todos os
usuários de dados operantes, na rede em um dado período de análise.
Também pode-se utilizar o conceito de usuário com multicanais para o
provimento de diversidade no enlace direto, pois a informação de determinado
usuário ativo, pode ser transmitida, de forma redundante/espelhada, por diversas
ERBs ou Pontos de Acesso do sistema que se encontrem em estado ativo, ou seja,
em sintonia (comunicação), com uma determinada EM.
O grande aliado neste novo conceito de recepção multicanais foi motivado
pelo receptor Rake (ancinho), já anteriormente utilizado nos sistemas CDMA na
81
versão IS-95 para realizar soft-handoffs e reforçar intensidade de sinais
multipercurso (cópias do sinal transmitido que chegam em diferentes fases e tempos
ao receptor do móvel, devido aos diferentes caminhos percorridos por traçado de
raios).
O tipo de Modulação utilizada nos Sistemas CDMA 2000 NX-EV é o QPSK,
com independentes seqüências PN à taxa individual de 1,2288Mcps gerando uma
taxa total no espalhamento de 2,4576 Mcps. Diferentemente de como ocorre no
antecessor IS-95, a modulação era obtida pela utilização da mesma seqüência PN
de comprimento curto combinada em fase e quadratura gerando a mesma taxa de
espalhamento final de 1,2288Mcps. Esta adaptação por si só, já dobra sua
capacidade de dados em relação ao sistema IS-95 mesmo operando com N=1
(CDMA 2000 1X – 1,25MHz).
A outra modificação, bastante significativa na história da evolução dos
sistemas CDMA, é a transmissão de Sinais pilotos nas duas direções (enlace direto
e também no reverso). Múltiplos pilotos são usados para permitir uso de antenas
inteligentes trabalhando com múltiplos feixes e códigos.
Diferentemente do IS-95, o controle de potência no CDMA 2000 somente é
feito no Enlace Reverso, pois no Enlace Direto a ERB ou Ponto de Acesso não se
preocupa mais em gerenciar sua potência de transmissão, para atender
diferenciadamente usuários pela célula. A inovadora filosofia deste sistema é de
que o usuário mais próximo da ERB(PA), estará em melhores condições de
propagação para receber em maior taxa, e o mais distante, receberá em menor taxa,
até que seja realizado um Handoff ou melhore suas condições de propagação para
poder, conseqüentemente, elevar sua taxa de Downlink. Ou seja, toda negociação
de QoS do sistema CDMA 2000 é realizada em função de observações constantes
no nível de Eb/No.
No Enlace Reverso, o controle de potência de transmissão das EMs ocorrem
basicamente de duas formas: primeiramente devido ao fato de as EMs analisarem a
taxa de erro e nível de recepção do sinal canal piloto, recebido da ERB (PA) pelo
enlace direto, para que sirva de estimativa inicial da própria perda do canal de
propagação. Vale ressaltar que este método não é o principal mecanismo de
controle de potência de Enlace Reverso do sistema, ele vale apenas como
referência inicial para a EM, até mesmo porquê, a faixa de freqüencia de enlace
82
reverso é diversa da do enlace direto, o que modifica completamente o
comportamento físico do canal sob o aspecto de propagação.
A forma mais relevante do controle de potência do enlace reverso no sistema
CDMA 2000 é realizado justamente por comandos enviados pelas próprias ERBs, ou
Pontos de Acesso, às Estações Móveis, para que estas ajustem o nível de potência
de seus transmissores, baseado em análise constantemente feita pela rede no nível
de recepção do sinal piloto no enlace reverso (gerado pelas EMs), que deve
necessariamente estar alocado dentro de um patamar de segurança, a fim de evitar
colapsos no sistema de recepção da rede, provocados pela saturação de potência
nas antenas de recepção das ERBs ou Pontos de Acesso.
Nos sistemas CDMA 2000 NX-EV surge um novo canal lógico para tráfego de
dados utilizados no uplink e downlink, que facilitará o aumento da taxa de
transmissão de dados, e que também aumenta o número de possibilidades de o
móvel se sintonizar com múltiplos seqüências de Walsh ao mesmo tempo. A este
novo canal lógico chamamos SCH - Canal Suplementar encontrados tanto no enlace
direto quanto reverso.
4.2.4. ENLACE DIRETO - TAXAS DO CANAL F-FCH, N=1, RS1
Abaixo é apresentada a TAB. 4.3 ilustrativa de como se procede no CDMA
2000 NX-EV com as taxas de convolução e formação de quadros de informação do
enlace direto para o canal Fundamental.
TAB. 4.3
CDMA 2000 EV – Canal Fundamental no Enlace Direto
83
Como exemplo, será demonstrado o desenvolvimento de cálculo para as
taxas de 9,6Kbps (mais alta na escala do Rate Set 1) e de 1,5Kbps (menor taxa na
escala do Rate Set 1).
Para a taxa de 9,6Kbps tem-se:
(24+16+8) x 2 x (128/5ms) = 2,4576Mcps = 2 x 1,2288Mcps
Para a taxa de 1,5Kbps tem-se:
(16+6+8)x2x8x4/5x128x50 = 2,4576Mcps = 2 x 1,2288Mcps
Vale ressaltar que as seqüências de Walsh dobraram de comprimento em
relação ao IS-95 e as taxas de dados variam de acordo com a taxa de codificação
(RS1 ou RS2), grau de repetição e tipo de perfuração. No CDMA 2000 NX, a taxa do
quadro pode variar dentre 5 e 20 ms. E que sempre são gerados 384 bits por quadro
de 20ms antes do espalhamento pela seqüência de Walsh.
4.2.5. ENLACE DIRETO – TAXAS DO CANAL F-SCH, N=1, RS1 E RS2
É apresentado na TAB. 4.4 uma escala ilustrativa de como se procede no
CDMA 2000 NX-EV com as taxas de convolução e formação de quadros de
informação do enlace direto para o canal Suplementar Rate Set 1 (adicionado ao
sistema CDMA 2000 NX).
TAB. 4.4
CDMA 2000 EV – Canal Suplementar no Enlace Direto RS1
Abaixo é apresentada a TAB. 4.5 ilustrativa de como se procede no CDMA
2000 NX-EV com as taxas de convolução e formação de quadros de informação do
enlace direto, para o canal Suplementar Rate Set 2 (adicionado ao sistema CDMA
2000 NX).
84
TAB. 4.5
CDMA 2000 EV – Canal Suplementar no Enlace Direto RS2
Como exemplo, será desenvolvida a memória de cálculo para a taxa de
57,6Kbps (considerada média real alta na escala da família do SCH operando em
Rate Set 2).
Para a taxa de 57,6Kbps tem-se:
(1128+16+8) x 8/3 = 3072 bits em 20ms =153,6Ksimb/s.
Ou seja, 153,6Ksimb/s x 16 (seq. Walsh) = 2,4576 Mcps.
Vale ressaltar que a codificação a taxa 1/3, com perfuração de 1 bit a cada 9
resulta numa taxa efetiva de 3/8 que oferece melhor proteção que a taxa 1/2. Além
disso, a taxa de espalhamento de Walsh decresce com o aumento da taxa efetiva de
transmissão de dados.
4.2.6. ENLACE REVERSO - TAXAS DO CANAL R-FCH, RS1 E RS2
Na TAB. 4.6, é apresentada uma tabela ilustrativa de como se procede no
CDMA 2000 NX-EV com as taxas de convolução e formação de quadros de
informação do enlace reverso, para o Canal Fundamental Rate Set 1.
TAB. 4.6
CDMA 2000 EV – Canal Fundamental no Enlace Reverso – RS1
85
Da TAB. 4.6 acima, nota-se que as diferenças em relação ao enlace direto
são poucas, a menos do comprimento do código de Walsh de espalhamento, que
tem seu valor fixo para todas as taxas, além da taxa do código convolucional
utilizado no enlace reverso.
Ele foi desenvolvido desta maneira devido a menor necessidade de altas
taxas de transmissão no enlace reverso (upload menor – menor complexidade no
processamento).
A seguir, é apresentada a TAB. 4.7 ilustrativa de como se procede no CDMA
2000 NX-EV com as taxas de convolução e formação de quadros de informação do
enlace reverso, para o canal Fundamental Rate Set 2.
TAB. 4.7
CDMA 2000 EV – Canal Fundamental no Enlace Reverso - RS2
Como exemplo, será desenvolvida memória de cálculo para a taxa de
14,4Kbps (considerada a taxa mais alta na escala do sistema operando em Rate Set
2).
Para a taxa de 14,4Kbps tem-se:
(268+12+8) x 4 = 4608 bits, que serão repetidos 8 vezes e perfurados a
proporção de 1:3, ficando 4608 x 8/3 = 12288 bits por quadro, que serão finalmente
espalhados pela seqüência de Walsh de comprimento 4 em cada quadro de 20ms.
Ou seja, 12288 bits x 4/20m = 2,4576Mcps. .
Vale ressaltar que a codificação a taxa 1/4, com repetição de bits a cada
quadro e perfuração de 1 bit a cada 3, resulta numa taxa efetiva de (4x8/3)=32/3,
oferecendo proteção infinitamente maior que as taxas praticadas no enlace direto.
Além disso, a taxa de espalhamento de Walsh, a título de menor complexidade,
possui seu comprimento fixo e com pequeno valor, tendo em vista que a taxa efetiva
de dados por quadro já possui valor elevado em todo o processo.
86
4.2.7. CORBETURA CDMA 2000
No Brasil, as redes CDMAs existentes já possuem operantes, em em algumas
regiões estratégicas, serviços CDMA de terceira geração. Todavia estes serviços
ainda não estão disponíveis por toda a cobertura da rede, ficando restrita a apenas
bairros, shoppings, regiões de praias, centros comerciais e regiões de grande
atividade econômica. Ou seja, lugares onde haja mercados consumidores com
bastante potencial que venham a necessitar utilizar o serviço com freqüência.
Para maiores detalhes sobre a cobertura CDMA de terceira geração no Brasil,
visitar o sitio (www.vivo.com.br) e pesquisar os serviços de 3G oferecidos pela
operadora. Atualmente no Brasil, os serviços de 3G CDMA 2000 EV-DO estão
apenas disponíveis em algumas localidades de três cidades brasileiras: São Paulo,
Rio de Janeiro e Curitiba.
Obviamente que nos Estados Unidos e Coreia essa cobertura com a 3G está
muito mais expressiva. Praticamente toda a cobertura do tipo CDMA americana já
oferece os serviços CDMA 2000 EV-DO. Na Coreia acontece da mesma forma, pois
seus mercados consumidores são muito poderosos e extremamente consumistas
com relação a estes tipos de serviços oferecidos pelas redes móveis.
A partir do próximo capítulo da dissertação, serão abordadas técnicas de
redes sem fio (WLANs), que estão sendo desenvolvidas e aprimoradas com o intuito
de servir como um serviço complementar de comutação de pacotes sem fio, para
utilização nas redes móveis celulares de Segunda e Terceira Gerações, objetivando
sempre a melhor utilização e adequação das redes móveis celulares frente aos
desafios de se aumentar a capacidade de tráfego de dados destes sistemas.
87
5. SISTEMA WLAN
Wireless Local Area Network é uma tecnologia desenvolvida ao longo da
década de 90, com os trabalhos do Institute of Eletrical and Electronics Engineers IEEE, mas ainda hoje encontra-se em fase de amadurecimento, principalmente em
questões relacionadas com qualidade de serviço (QoS) e segurança. (ZAWEL,
2002), (NUNES E BRITO, 2002).
Na TAB. 5.1, são apresentados maiores detalhes sobre o padrão IEEE802.11:
TAB. 5.1
Padrão IEEE-802.11
Inicialmente, essa tecnologia visava a simples interligação de computadores
nas residências e pequenos escritórios com taxas de até 2Mbit/s, usando a técnica
de espalhamento espectral do tipo conhecido como Salto em Freqüência (Frequency
Hopping Spread Spectrum – FHSS). Porém, com as melhorias alcançadas nas taxas
de transmissão que ultrapassaram os 10Mbit/s, com a adoção do espalhamento
através da técnica de Espalhamento Espectral de Seqüência Direta (Direct
Sequence Spread Spectrum – DSSS) e a técnica de Multiplexação por Divisão de
Freqüências Ortogonais (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM), o
aumento substancial do interesse de outros mercados para outras aplicações
passou a ser uma rotina, logo começou-se a observar tais redes substituindo
projetos de cabeamento estruturado no mercado corporativo ou conectando prédios
de grandes empresas.
88
Na FIG. 5.1, são apresentadas as potencialidades e possibilidades de
superação de deficiências dos serviços de dados com a utilização das WLANs:
FIG. 5.1
Redes WLANs
A partir do ano 2000, a criatividade do homem gerou novas aplicações
denominadas de hotspots que passaram a ocupar espaços em centros de
convenções, hotéis, shopping, restaurantes, coffee shops e aeroportos, dando início
a uma nova era, com aplicações voltadas aos serviços públicos de acesso à
Internet, criando a sigla PWLAN (Pública WLAN) (ZAWEL, 2002). Essa aplicação,
não obstante, criou uma certa sensação de competição com a terceira geração de
telefonia móvel, o que incentivou inclusive o desaquecimento dos ânimos das
operadoras de Telefonia TDMA (principalmente a GSM) a migrarem suas redes para
a 3G – WCDMA conforme o cronograma previsto, a fim de que se fosse encontrada,
frente a WLAN, uma alternativa que oferecesse melhor capacidade em taxas de
dados e com menor custo de implementação para a evolução das Redes Móveis
Celulares.
Na FIG. 5.2 a seguir, são apresentados os elementos de uma rede WLAN
básica com algums detalhes de suas utilizações:
89
FIG. 5.2
Elementos básicos de uma WLAN
5.1. O COMEÇO DO WLAN NO MUNDO
Em 1985, com o objetivo de estimular a produção e o uso dos produtos para
redes sem fio, o Federal Communications Commission - FCC modificou parte do
espectro de freqüências, criando faixas para que determinados equipamentos
pudessem operar sem a obrigatoriedade de uma licença de uso, que normalmente é
solicitada junto ao órgão regulador de cada país. Desta forma, somente seria
necessário o produto ser homologado/certificado pelo fabricante com uma chancela
deste órgão regulador, para que pudesse ser comercializado livremente pelo
mercado, sob a responsabilidade e competência deste órgão regulador em sua área
de gestão.
A partir destas alterações realizadas na legislação vigente, os equipamentos
apareceram em lojas de produtos eletrônicos, com preços acessíveis. Os usuários
puderam instalar rapidamente seus computadores e suas redes de computadores,
90
nas residências ou nos escritórios, evitando o emaranhado de fios espalhados por
todos os lados.
As faixas não licenciadas apresentam atrativos quando se pensa em reduzir
custos e tempo de implantação, mas como todos podem instalar os seus
equipamentos em qualquer lugar e a qualquer momento, o perigo com
interferências, passa a ser um dos grandes limitantes para a tecnologia, que acaba
não garantindo tanta qualidade na prestação do serviço, podendo o mesmo gerar
taxas de dados abaixo dos valores atingidos e sugeridos pelos fabricantes.
5.2. APLICAÇÕES NO MERCADO PRIVADO DAS WLANS
As redes sem fio podem funcionar em ambientes internos (escritórios,
residências, lojas, etc) ou em ambientes externos (lugares abertos, como
interligações de prédios, ruas movimentadas, etc) e apresentam aplicações tanto
residenciais quanto corporativas, sendo encontradas principalmente na substituição
de cabos em empresas, pequenos escritórios, ou na própria moradia de um usuário.
Nestes casos, todas as aplicações são de responsabilidade do usuário e não
de uma operadora ou provedor de serviços de telecomunicações, portanto,
problemas com falta de segurança, interferências e queda na taxa de transmissão
de dados com o passar do tempo, deverão ser administradas pelo próprio usuário,
que poderá achar uma faixa com menor intensidade de problemas ou desativar sua
rede. (ZAWEL,2002).
A FIG. 5.3, apresenta um exemplo de rede corporativa com a utilização de
WLAN. Notar que ocorre uma redução substancial na estrutura cabeada (física);
Apenas são utilizados cabos metálicos para viabilizar o entroncamento das subredes
dos andares. Todas as Estações de Trabalho estão conectadas em rede via técnica
WLAN.
91
FIG. 5.3
Aplicação WLAN no mercado corporativo
A conectividade em ambientes externos, ligando prédios de uma empresa
com até 10 Km de distância na faixa de 2.4 GHz, é utilizada para automatização de
processos em fábricas, geralmente interligando galpões para controle e envio de
informações ou conectando redes de computadores em prédios distintos. Vale
ressaltar que nestes ambientes os sistemas ficam mais sujeitos a interferência e as
condições adversas de propagação, reduzindo suas taxas de transmissão abaixo de
50% do valor apresentado por equipamentos operando em um ambiente interno.
Na FIG. 5.4, é apresentado um diagrama ilustrativo para o caso de aplicação
WLAN sendo distribuída por várias filiais via técnica de acesso sem fio. Vale
ressaltar que também pode ocorrer o entroncamento entre filiais da forma tradicional
cabeada (linhas privadas, fibras ópticas, etc), utilizando acesso WLAN apenas no
ambiente de interesse (escritórios, salas de aula, interior da fábrica, etc).
FIG. 5.4
WLANs com entroncamento sem fio entre filiais
92
5.3. APLICAÇÕES NO MERCADO PÚBLICO DAS WLANS (PWLAN)
Nos últimos anos, as redes WLANs oferecidas por operadoras ou provedores
especializados aos usuários de laptops ou PDAs, em locais públicos, passaram a
fazer parte do dia a dia dos executivos no mundo. Porém, observa-se uma diferença
de preferências entre os países, relacionada aos locais para uso dos dispositivos,
podendo este fato, alterar sensivelmente, a quantidade de pontos de acesso em
cada país em médio e longo prazos.
A aplicação da WLAN em lugares públicos passou a ser conhecida como
PWLAN e os pontos de acesso à Internet como hotspots, sendo essas aplicações
observadas atualmente nas faixas de 2.4 GHz e 5GHz, possuindo como
característica básica acesso a Internet em alta velocidade com pequenas áreas de
coberturas, ou seja, raios menores que 120 metros, limitando a mobilidade dos
usuários. (ZAWEL, 2002).
5.4. AS FAIXAS PARA WLAN OU PWLAN
As faixas destinadas para essas aplicações são conhecidas como Industrial,
Scientific, and Medical bands - ISM e foram adotadas por diversos países, tendo
sido a primeira em 900MHz (902 até 928MHz), a segunda em 2.4 GHz (2400 até
2483.5 MHz) e a última em 5 GHz. Atualmente o Brasil está atualizando a Resolução
305 da ANATEL, nas partes referentes a 2.4 e 5 GHz, disponibilizando a distribuição
apresentada na FIG. 5.5:
93
FIG. 5.5
Faixas de freqüências para WLAN no Brasil
5.5. WLAN EM 900MHZ
A faixa de 900 MHz apresentou um rápido desenvolvimento de produtos
utilizando basicamente a tecnologia de Espalhamento Espectral com Salto em
Freqüência (Frequency Hopping Spread Spectrum – FHSS), que trabalha com saltos
de freqüência, espalhando a informação ao longo do tempo e alcançando taxas de
dados até 2Mbit/s.
A FIG. 5.6, traz um esquema didático para ilustrar o funcionamento da técnica
de espalhamento espectral por salto em freqüência:
FIG. 5.6
Espalhamento Espectral por Salto em Freqüência
94
A faixa utilizada em 900MHz possuía dois limitantes graves para a expansão
das redes sem fio (WLANs). O primeiro era a largura de 26MHz, que limitava o
número de usuários e suas taxas de transmissão. O segundo estava relacionado
com a quantidade de outros serviços utilizando a mesma faixa, ou seja, além da
interferência dos usuários da própria WLAN em 900MHz, várias outras fontes de
interferência acabavam dificultando a operação dos computadores em rede com
tecnologia sem fio, tornando a qualidade do serviço impraticável.
Entre as fontes de interferência, pode-se rapidamente citar: rádios ponto-aponto no serviço fixo, telefones sem fio, rádios por espalhamento espectral em
configuração ponto-a-ponto e ponto-multiponto, radioamador, equipamentos de
telemedição, emissor-sensor de variação de campo eletromagnético, sistemas
móveis celulares, fornos velhos de microondas, fornos industriais de 50kW até
100kW, etc.
5.6. WLAN /PWLAN EM 2.4GHZ
Com os limitantes apresentados na faixa de 900MHz, a demora na utilização
de uma outra faixa poderia implicar no fracasso comercial destes poderosos
sistemas.
Dessa forma, o IEEE desenvolveu um padrão conhecido como 802.11b,
baseado no modelo Open Systems Interconection - OSI e operando na faixa de
2.4GHz, inserindo no lugar da técnica de Espalhamento Espectral por Salto em
Freqüência (FHSS), que aumentou a eficiência espectral elevando as taxas de
dados até 11Mbit/s, mas com valores médios reais de 4Mbit/s até 6Mbit/s na
transmissão das informações dos usuários em ambientes internos e taxas menores
que 4Mbit/s para ambientes externos.
95
Os equipamentos 802.11b, também são conhecidos como Wi-Fi, marca
promovida pela Wireless Ethernet Compatibility Alliance - WECA, organização sem
fins lucrativos, criada em 1999, em Santa Clara, nos EUA. Sua missão é certificar a
interoperabilidade de tais produtos e promover o Wi-Fi como padrão para
implementação de redes locais sem fio em todos os segmentos. Representam mais
de 70% do mercado e deverão permanecer por um bom tempo nos computadores
de milhares de usuários.
Outro padrão começa a aparecer no cenário de 2.4GHz, apresentando uma
evolução na transmissão de dados, o IEEE 802.11g, que alcança uma taxa de
54Mbit/s, trabalha com OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) distribuindo
a informação sobre um grande número de portadoras espaçadas de tal forma que
acabam fornecendo uma característica de ortogonalidade. Suas principais
vantagens estão relacionadas com o aumento da eficiência espectral, minimização
das interferências e baixa distorção por multi-percurso. (NEE & PRASED, 2000).
Os equipamentos IEEE 802.11g possuem compatibilidade com os IEEE
802.11b, fornecendo facilidades para executar uma ampliação e atualização em uma
rede já em operação, pois computadores com o novo padrão podem ser adicionados
à rede sem a necessidade de troca das placas dos demais computadores operantes,
sendo possível operar Estações de Trabalho em 11Mbps e outros em 54Mbps
dentro da mesma rede.
A FIG. 5.7 ilustra de forma didática as especificações dos padrões IEEE
802.11b (Wi-Fi) e IEEE 802.11g, referenciando ainda, suas possíveis fontes de
interferências:
96
FIG. 5.7
Padrões em 2.4GHz
A faixa de 2400 até 2483.5GHz, não é totalmente aceita por alguns países,
gerando limitações no uso mundial dos equipamentos. Entre os casos que se
destacam, pode-se citar a França e a Inglaterra, onde no primeiro país, a
regulamentação visa praticamente a liberação do uso do Bluetooth (ver seção 5.10)
que opera na mesma faixa e com potências mais baixas, sendo o uso do PWLAN
em qualquer ambiente, ou do WLAN em ambientes externos permitidos somente
com a autorização do Ministério da Defesa.
Na Inglaterra a restrição passa a ser em relação aos sistemas PWLANs, pois
equipamentos comprados para uso privado, residencial ou escritórios, não
necessitam de licenças e equipamentos comprados para oferecer serviços públicos
são obrigados a possuir licenças para entrar em operação.
Abaixo, a TAB. 5.2 ilustra a divisão e reserva do espectro de freqüências para
uso de redes sem fio nos principais mercados do mundo.
TAB. 5.2
Faixa de 2,4 GHz no Mundo
97
5.7. WLAN /PWLAN EM 5GHZ
O futuro do WLAN /PWLAN está na evolução dos equipamentos para a faixa
de 5GHz que apresenta uma maior banda, com melhores condições para
transmissão e taxas que podem variar de 20Mbit/s até 54Mbit/s, em conjunto com
um maior número de usuários, além de minimizar os problemas relacionados com
interferências e qualidade de serviço (QoS) apresentados nas faixas de 900MHz e
2.4GHz.
Nessa nova faixa, pode-se observar um sinal que possui baixa capacidade de
ultrapassar obstáculos, além de uma rápida atenuação com a distância da fonte
transmissora, facilitando a reutilização da mesma freqüência por vários usuários em
distâncias que ultrapassem 30 metros, ou por usuários em salas diferentes
separados apenas por paredes em um mesmo andar.
O maior problema em 5GHz começa a ser a divisão do mercado criada pela
adoção de diferentes padrões e faixas de operação em regiões como as Américas, a
Europa e o Japão. No IEEE temos o desenvolvimento do padrão 802.11a com taxas
até 54Mbit/s. Na Europa, o European Telecommunications Standards Institute - ETSI
participa do desenvolvimento dos padrões Hiperlan1, com taxas até 20Mbit/s, e o
Hiperlan2, com taxas até 54Mbit/s. No Japão temos o desenvolvimento do HisWAN.
Para efeitos de esclarecimento, nesta dissertação sempre serão tomados como
base as especificações do IEEE.
Um ponto de grande importância para o futuro dessa tecnologia na faixa de
5GHz ocorreu na World Radiocommunication Conference of 2003 - WRC2003, onde
todos
buscaram
uma
harmonização
global
das
freqüências,
levando
em
consideração os sistemas de satélites e radares que também operam nesta faixa.
Nesse caso, foi decidido que os três blocos usados pela Europa vão ser
considerados como padrão mundial, sendo a faixa de 5150 até 5350MHz definida
apenas para uso em ambientes internos e a faixa de 5470 até 5725MHz será usada
para aplicações em ambientes mistos (internos e/ou externos). O Brasil está
98
seguindo essa definição do WRC2003 e deverá fixar as faixas de 5GHz seguindo o
modelo da UIT apresentado anteriormente.
5.8. RESUMO DOS PADRÕES PARA WLAN
Na TAB. 5.3, são apresentados os principais padrões IEEE 802.11,
ressaltando suas melhorias e peculiaridades mais importantes:
TAB. 5.3
Padrões WLAN pelo IEEE
5.9. OS SISTEMAS WIRELESS E SUAS REAIS APLICAÇÕES
Atualmente a rede PWLAN atinge e atende a um nicho específico de
mercado, sendo sua proposta de valor agregado relacionada com acesso à Internet
99
ou Intranet, com segurança e qualidade questionáveis, além de uma mobilidade
restrita a área dos hotspots, podendo girar em torno de pouco mais de 30 metros
para a faixa de 5GHz e 100 metros para a faixa de 2.4GHz. O grande atrativo do
PWLAN é basicamente o preço baixo e a facilidade de implementação pela não
obrigatoriedade do uso de licenças.
5.10. TECNOLOGIA PONTO-A-PONTO SEM FIO
A técnica conhecida como Bluetooth também apresenta seu nicho de
mercado, funcionando com uma tecnologia similar ao WLAN/PWLAN e operando na
mesma faixa de 2.4GHz. Visa conectar aparelhos para transmissão de grande
quantidade de dados em distâncias menores que 10 metros, já utilizados em
impressoras, mouses, telefones, fones de ouvido, etc.
A esta tecnologia chamamos de redes Ad-hoc, onde cada terminal está
equipado com uma interface transceptora sem fio que permite a comunicação direta
entre todos os equipamentos vizinhos sem necessariamente haver a relação
hiererquizada com hubs, switches ou APs centralizadores de acesso, para viabilizar
a
comunicação
com
os
demais
terminais
ou
equipamentos.
(FRODIGH,
JOHANSSON & LARSSON, 2000).
Na FIG. 5.8, é ilustrada a forma de conexão Ad-hoc onde sempre
estabelecem-se conexões do tipo ponto-a-ponto (Estação de trabalho à Estação de
trabalho):
100
FIG. 5.8
Configuração Ponto-a-ponto
Note que nesta configuração, o sistema não necessita de Ponto de Acesso
(AP) ou Hubs para que se estabeleça conexão entre as estações de trabalho.
5.11. ESTRUTURA DE WLAN UTILIZANDO PONTO DE ACESSO (AP)
Os Pontos de Acesso (APs) funcionam hierarquicamente como os Hubs ou
Switches das LANs cabeadas tradicionais. Neste caso, por possuir a filosofia de
hierarquia, as estações de trabalho, assim como todos os outros periféricos
conectados à WLAN, realizarão a comunicação entre si de forma centralizada
através do Ponto de Acesso (AP).
Na FIG. 5.9, é apresentado esquema de rede sem fio utilizando Ponto de
Acesso (AP):
101
FIG. 5.9
Estrutura com Ponto de Acesso (AP)
Vale ressaltar que estes Pontos de Acesso (APs) devem possuir interfaces de
entrada compatíveis com as interfaces de rede cabeada, a fim de tornar mais flexível
a interoperabilidade do sistema. A FIG. 5.10 que traz exemplos de terminais APs:
FIG. 5.10
Tipos de Terminais APs
Os Pontos de Acesso, na prática, podem ser Hardwares dedicados (Hard AP),
como mostrado na FIG. 5.10 acima, ou softwares instalados em Estações de
Trabalho (normalmente um PC) conforme ilustra a FIG. 5.11 abaixo:
FIG. 5.11
Estação de Trabalho funcionando como AP
102
5.12. TIPOS DE CONFIGURAÇÕES
5.12.1. TOPOLOGIA UNICELULAR
É o tipo de estrutura de acesso, onde todos os terminais da área de
cobertura se conectarão a apenas um Ponto de Acesso (AP). Veja a FIG. 5.12
que segue, para exemplificar o tipo de topologia unicelular.
FIG. 5.12
Topologia Unicelular
5.12.2. TOPOLOGIA COM SUPERPOSIÇÃO CELULAR
É o caso em que os terminais de uma determinada área de cobertura
são atendidos por mais de um Ponto de Acesso (APs), formando células
vizinhas com pequena superposição de cobertura entre si. Neste caso não
são utilizados conceitos de handoffs entre células, ou seja, um terminal pode
transitar livremente dentro da área de cobertura da rede, através dos vários
103
APs de células vizinhas do sistema que, sem o terminal móvel perder a
conexão com a rede em alta taxa, realiza uma troca de Ponto de Acesso
servidor, quando ocorrem condições desfavoráveis de propagação com um
determinado AP, em relação às condições de atendimento de um outro AP
vizinho da mesma rede.
Ver a FIG. 5.13. abaixo para melhor entendimento do caso de
superposição celular:
FIG. 5.13
Cobertura com superposição celular
5.12.3. TOPOLOGIA MULTICELULAR
É o caso específico onde existe um planejamento de freqüências mais
elaborado, utilizando conceitos de multiportadoras na região de cobertura,
pois
deseja-se
atender
com
bastante
eficiência
determinada
área,
aumentando a capacidade do sistema em termos do número de usuários
ativos, além de prover certa garantia de determinada taxa mínima de dados
por usuário desta região.
Vale ressaltar que estas garantias para serem mais favoráveis
dependem também das condições de propagação que aleatoreamente variam
104
de acordo com a freqüência no domínio do tempo, logo, quando se tem um
ambiente com cobertura por multi-portadoras, pode-se garantir que haja maior
imunidade quanto a desvanecimentos rápidos que podem ocorrer em
determinadas faixas de freqüências, pois as Estações de Trabalho serão
atendidos por mais de um AP simultaneamente (diferentes portadoras RF) e
seu detetor decidir em função de qual dos APs o sinal esta sendo recebido
em melhores condições que garantam sua maior vazão de dados (princípio
básico utilizado em um dos casos de soft-handoff encontrados na telefonia
móvel). A ilustração este conceito está mostrada na FIG. 5.14 abaixo:
FIG. 5.14
Topologia Multicelular
5.12.4. TOPOLOGIA COM MÚLTIPLO SALTO (MULTI-HOP)
É o tipo de estrutura de rede, que utiliza em parte o mesmo conceito
apresentado no Bluetooth. Consiste em uma configuração híbrida entre redes
sem fio com Pontos de Acesso(APs) atendendo a determinada área de
cobertura, com um WorkgroupBridge(WB) em uma diferente área, que não
está atendida diretamente pela própria cobertura da WLAN em questão (AP1
da FIG. 5.15).
105
Este WB possui um transceptor rádio com feixe diretivo, que é
propositalmente orientado a região de cobertura onde os terminais são
atendidos pela rede WLAN (AP1 da FIG. 5.15), além de possuir interface
física (conexão por fios) para se conectar a um outro Ponto de Acesso (AP2
da FIG. 5.15). Desta forma, o WB estabelece conexão ponto-a-ponto sem fio
com alguma Estação de Trabalho atendida pelo AP1, e serve como ponte de
acesso (daí o nome em inglês Bridge), com as estações de trabalho atendidas
pelo novo AP2 em sua própria área de cobertura. Ou seja, funciona como
uma extensão da cobertura de um determinado AP servidor, obtendo
conectividade através da cobertura física deste AP1 por alguma Estação de
Trabalho ou terminal de usuário atendido.
A FIG. 5.15 facilitará o melhor entendimento desse conceito, ilustrando
a situação em questão:
FIG. 5.15
Topologia Múltiplo Salto
5.13. INTERFERÊNCIAS INTERSISTÊMICAS
Conforme foi anteriormente mencionado, a faixa de espectro de 2,4GHz não
possui necessidade de licença na ANATEL, para operar sistemas sem fio com baixa
potência. Devido a isto, esta faixa tornou-se popular nos últimos anos, vindo a ser
106
utilizada por diversas tecnologias tais como o telefone sem fio, fornos de
Microondas, portões eletrônicos, o Bluetooth (IEEE 802.15) e o WI-FI (IEEE 802.11).
Especificação geral do Bluetooth:
Faixa de freqüência de operação entre 2400MHz e 2485MHz;
Potência de Operação varia entre 0 e 5 dBm;
Duração do uso do transmissor depende do tamanho do pacote
a ser transmitido.
Especificação geral de um forno de Microondas usual:
Faixa de freqüência de operação entre 2450MHz e 2458MHz;
Potência Efetivamente Irradiada a aproximadamente 3 metros de
seu transmissor é de 18dBm;
Duração de pulsos de potência é de 10 micro-segundos.
Deve-se notar que no caso de coexistência próxima entre WLANs e
Bluetooth, numa mesma região de operação, sempre ocorrerá elevada probabilidade
de colisão/conflito de pacotes devido às diferentes técnicas de rede sem fio
apresentadas, que utilizam tecnicas de acesso ao meio muito similares.
Nestes casos, deve-se realizar uma apurada investigação do espectrograma
da região onde se deseja implementar o Bluetooth ou a WLAN, a fim de que se evite
a operação simultânea concorrente entre os sistemas que ocupam a mesma faixa de
espectro.
No caso de se ter necessidade de operação em conjunto, deve-se utilizar
algum padrão de WLAN que ocupe faixa de freqüência diferente da faixa de
freqüência de operação do Bluetooth. Chama-se este recurso de Planejamento de
Freqüência, pois visa evitar operação de diferentes (interferentes) sistemas que
operem na mesma faixa.
107
5.14. TÉCNICAS DE REDUÇÃO DE INTERFERÊNCIA EM AMBIENTE WLAN
Existem três principais maneiras de se reduzir a interferência em ambientes
Wireless. Dentre elas podemos citar o planejamento de freqüências, que é uma
solução de redução de interferência Intra-sistêmica; o planejamento de cobertura e,
por fim, o uso de técnicas de espalhamento espectral, que possuem certa imunidade
a interferências, desde que exista uma eficiente gerência no controle de potência de
transmissão das estações móveis ou terminais semi-móveis envolvidos.
Abaixo, uma TAB. 5.4 ilustrativa sobre o planejamento de freqüências
utilizado no padrão 802.11 pelos Estados Unidos, Canadá e Brasil. A faixa de
2,4GHz é dividida em 11 canais de 22MHz que são superpostos.
TAB. 5.4
Planejamento de freqüências WLAN
Na FIG. 5.16 abaixo, um diagrama ilustrativo sobre a técnica utilizada para se
obter eficiência na implementação do planejamento de cobertura em sistemas
WLANs. Esta técnica consiste em subdividir a região de atendimento em células,
para que seja possível realizar reuso das mesmas faixas de freqüências. Notar que
o alcance de sinal de cada célula deve ser limitado ou reduzido, a fim de evitar
interferências entre co-células em operação no mesmo sistema.
108
FIG. 5.16
Modelo de cobertura
5.15. ASPECTOS DE TRÁFEGO NAS WLANS
A vazão total de tráfego de dados, em uma determinada área, é dada pela
soma algébrica da vazão de cada usuário ativo desta mesma área. Desta forma, a
capacidade nominal de transporte de dados processados no Ponto de Acesso (AP)
responsável por esta área, deve ser maior que este valor anteriormente estimado
pela soma algébrica da vazão total de dados dos usuários da área de cobertura.
A TAB. 5.5 a seguir, mostra uma situação real de projeto, obtida no
planejamento para implantação de uma WLAN em instituição de ensino superior:
TAB. 5.5
Exemplo de cálculo de capacidade de uma rede WLAN
Vale notar da tabela anterior que para a tecnologia WLAN, mesmo com um
grande número de usuários caracterizando o tipo de acesso público, as taxas
efetivas de dados praticadas são bastante incentivadoras. Lembrando que 60
usuários com taxa de 100kbps geram uma taxa de 6Mbps (taxa líquida) dentro do
limite estipulado de 11Mbps (taxa máxima de dados bruta por célula).
109
5.16. COBERTURA WLAN
As WLANs já se tornaram uma realidade que deu certo no mundo. No Brasil,
por exemplo, a exploração desse serviço sem fio é realizado por Provedores de
Acesso a Internet (ISP) em parceria com empresários da rede hoteleira e
gastronômica em geral, que já implementaram as redes sem fio em muitas
localidades públicas, a fim de atender usuários com seus serviços inclusive nos
momentos de lazer.
Dentre os mais variados hotspots pode-se citar, principalmente, que todos os
aeroportos do Brasil possuem cobertura WLAN, assim como as grandes e principais
redes de hotéis, restaurantes, bares e cafeterias. Já existe até um Hipermercado em
São Paulo que oferece serviços de dados através das WLANs aos seus clientes
enquanto realizam suas compras. Para maiores detalhes sobre a abrangência das
redes sem fio no Brasil, visitar os sitios dos principais provedores de acesso a
internet do Brasil, tais como:
•
http://www.velox.com.br/veloxwifi;
•
http://wifig.ig.com.br;
•
http://www.speedywifi.com.br;
•
http://informatica.terra.com.br/wifi.
110
6. CONVERGÊNCIA ENTRE REDES MÓVEIS CELULARES E WLANs
(REDES HÍBRIDAS)
Desde que as WLANs chegaram ao mercado brasileiro conquistando a
simpatia dos usuários, tanto por sua praticidade quanto por sua flexibilidade,
conforto e custo de implementação razoáveis, têm despertado grande interesse na
sociedade científica. sendo objeto de relevantes discussões sobre sua utilização
complementar com as atuais redes celulares. Isto se deve ao fato de as WLANs
permitirem ofertar tráfego de dados a grande número de usuários com certa
mobilidade e com taxas elevadas (inclusive maiores que as taxas previstas para a
3G), além de necessitar baixo custo de investimento se comparado aos custos de
migração destas redes móveis para suas respectivas sucessoras de 3G. (LEHR &
LEE, 2003), (ALVEN, ARJUNANPILLAI, FARHANG, KANSAL, KAN & LEUJVEN,
2001), (CARROS, 2001), (DORNAM, 2002), (HONKASALO, PEHKONEM, NIEMI &
NOKIA, 2002).
Esta nova proposta, inicialmente, não prevê concorrência direta entre as
tecnologias envolvidas (Celular e WLAN), uma vez que a WLAN vem sendo
apresentada como um serviço complementar para comutação de pacotes em altas
taxas, que será disponibilizado em determinados pontos estratégicos das redes
celulares. Os pontos em questão se localizam onde haja grande demanda de
usuários das redes móveis, com necessidade de obter conectividade à rede de
dados, em ambientes tradicionalmente celulares ou não, para acesso à caixa de
correio eletrônico, à conta bancária, além de serviços de tele-conferência, fazendose o usuário presente, mesmo que virtualmente, em reuniões, por exemplo. Uma
constante preocupação, por parte das operadoras de serviços móveis, é bem servir
tais usuários mais específicos, sem, com isso, prejudicar a capacidade de tráfego
dos serviços de voz, que ainda correspondem, em maior escala, como a principal
fonte de seus recursos.
Todos estes detalhes, quando tratados sob a forma de uma mesma equação,
em que a solução deve ser sempre a menos custosa possível, induz a condução do
assunto de forma complementar, intentando acomodar sempre a maior capacidade
111
de tráfego de dados com referência em quesitos de QoS sem, com isso, perder a
atual capacidade e qualidade já atingidas pelas redes móveis, nos serviços de voz
disponíveis. Certamente que, com o aparecimento das WLANs, a solução desta
equação tornou-se mais tangível frente a seu inquestionável potencial de
desenvolvimento. Um tratamento muito apresentado hoje no mercado, gera uma
expectativa de solução complementar, do tipo conveniência do usuário. Ao se
combinar a tecnologia WLAN com as redes móveis, será possível disponibilizar aos
usuários móveis, capacidade de acesso, em determinadas regiões, com maiores
taxas de dados, sem comprometer o planejamento existente da capacidade de
tráfego de voz da rede. Todo este cenário torna-se possível, devido ao uso de
diferentes planos de frequências, utilizados pelas WLANs e redes móveis, que
podem ser superpostos, quando bem planejados, permitindo a operação em dual
mode (capacidade de operar em duas funções diferentes).
Desta forma, os serviços de dados das atuais redes móveis celulares de
segunda geração, nunca estariam aquém das qualidades e expectativas dos
serviços de dados similares já encontrados no portifólio de serviços das operadoras
que utilizam tecnologia celular de 3G. Obviamente que esta proposta de rede híbrida
(Redes Móveis+WLAN) não estaria, em princípio, atendendo toda a cobertura
original de uma determinada rede móvel existente. Este planejamento ocorreria de
forma gradativa, até mesmo como experiência de aceitação deste projeto piloto,
visando a atender determinados pontos estratégicos, onde ocorram grandes
demandas por tráfego de dados, através das redes móveis celulares como, por
exemplo, em prédios comerciais, teleportos, shopping-centers, restaurantes,
aeroportos, rodoviárias, vias de muita circulação de pessoas em grandes centros,
etc.
Em todas as outras circunstâncias de uso de serviços de dados, ou até
mesmo quando uma Estação Móvel (EM) estiver em movimento e passar de uma
área de cobertura Rede Móvel+WLAN a uma área sem cobertura WLAN (apenas
com cobertura pela rede móvel), este usuário seria automanticamente atendido pelo
suporte a serviços de rede da própria tecnologia celular operante sem perder sua
conectividade. No máximo, seria prejudicada sua qualidade de serviço (QoS) em
termos de vazão de bits, o que é bastante satisfatório e aceitável frente ao conforto e
a facilidade de se ter perdido proporcionalmente banda por mobilidade. Vale
112
relembrar, que os objetivos finais da implementação da 3G são oferecer 144kbps
(taxa normalmente atingida com sistemas ceulares de 2G) a usuários com alta
mobilidade, 384Kbps (taxa facilmente superada apenas com a cobertura de WLAN
para o caso de ser usuário pedestre em determinada região estratégica) a usuários
pedestres e finalmente taxa de 2Mbps para usuários parados em ambiente interno
(tarefa bastante fácil, inclusive de ser superada, para área estrategicamente
atendida com a cobertura WLAN).
Devido a legados históricos, sabe-se que os rumos de uma tecnologia, bem
como a decisão de sua existência e permanência prática ou não, dependem de
inúmeros fatores e que, dentre eles, destaca-se principalmente a relação custobenefício. É a partir desta relação que se torna viável transformar uma inovação
tecnológica em realidade de mercado. De nada adiantaria resolver uma limitação
tecnológica, se não houver maneira de compensar os altos custos associados ao
investimento necessário para o atingimento de tal finalidade. Ainda hoje, a relação
custo-benefício é o principal motivo pelo qual os fabricantes e operadores de redes
móveis celulares brasileiras hesitam em realizar a migração imediata de suas redes
de 2G para suas sucessoras de 3G. Não há projeção, garantia, nem expectativa no
mercado nacional sobre um retorno seguro e sustentável, quando comparado ao
tamanho do investimento necessário.
6.1. CATEGORIAS DE SERVIÇOS PARA AS REDES CELULARES E WLANS
As redes móveis celulares possuem uma proposta de valor agregado mais
abrangente que os sistemas WLAN, pois além dos serviços de acesso à Internet e
Intranet, com uma área de cobertura de proporções bem maiores e com garantias de
segurança e qualidade de serviço (QoS), também oferecem serviços diferenciados
relacionados aos terminais móveis e sua mobilidade. Isto é mostrado na FIG. 6.1,
onde se observa que há uma relação de complementariedade específica quando
113
analisadas as finalidades dos serviços oferecidos em separado. É bastante nítida e
natural a proposta de convergência das tecnologias.
FIG. 6.1
Previsão tecnológica das redes móveis
As Operadoras de redes móveis no Brasil, visando uma atuação mais forte
junto aos usuários corporativos, pensam em combinar seus sistemas móveis
celulares com WLANs, uma vez que é possível equipar laptops com ambas as
interfaces aéreas, sendo muito comum encontrarmos no mercado placas que
operam com WLAN e GPRS/EDGE, por exemplo. Essa solução atualmente ainda
não integra os dois sistemas transparentemente, mas possibilita que o usuário, no
primeiro momento, possa escolher o tipo da rede e a velocidade que pretende
trabalhar, ou seja, a interface transceptora é selecionável de acordo com o sistema
rádio de interesse do usuário.
Fica bastante claro, que o próximo passo será a universalização do acesso
rádio, permitindo que seja uma decisão mista entre software/hardware sobre a
escolha por uma rede ou outra. Esta decisão pode ser baseada, inclusive, na melhor
escolha. Por exemplo, sabe-se que as taxas atingidas em ambientes WLANs são
muito mais altas que em ambientes GPRS/EDGE, então o terminal, ao solicitar
conexão, poderia tentar ingressar no sistema pelo modo WLAN e caso não
conseguisse o requerido acesso, o próprio terminal, automaticamente, se conectaria
a rede GPRS ou EDGE. Outra possibilidade seria tambem, este chaveamento
ocorrer automaticamente, na escolha da técnica de acesso, baseado no controle da
taxa de erro avaliada na saída de seu receptor.
114
Desta forma, o usuário de WLAN poderá obter roaming alternativo (Via
GPRS, por exemplo) entre hotspots, sem perder em qualquer momento sua conexão
com o sistema da rede de dados, de forma a manter sua conexão ativa e funcional.
Dentre as vantagens agregadas, pode-se citar, principalmente, a facilidade de o
usuário ser cobrado diferenciadamente em uma única conta, integrando os serviços
celulares e WLAN. Conforme já abordado no texto, estima-se que, no futuro
próximo, um handoff entre redes híbridas ocorrerá de forma transparente e
automática para o usuário (decisão do próprio sistema - transparente ao usuário), ou
seja, sem ocorrer a perda de conexão com a Internet ou com a Intranet, quando o
laptop estiver em movimento saindo da cobertura fornecida por um hotspot (Ponto
de Acesso) e entrando na cobertura da rede móvel, por exemplo.
6.2. ANÁLISE ENTRE COBERTURA E CAPACIDADE
As redes sem fio podem ser analisadas por suas áreas de cobertura e
capacidades de tráfego. Na FIG. 6.2, a seguir, vê-se de forma clara as reais
diferenças e prováveis aplicações de cada rede. Nota-se que as aplicações atuais
em WLANs ainda estão dominantes em ambientes internos, tendo em vista o
pequeno raio de cobertura frente às altas taxas de dados oferecidas. Já as redes
móveis celulares, encontram-se com uma excelente abrangência, em termos de
cobertura, entretanto, com baixa capacidade para tráfego de dados.
115
FIG. 6.2
Cobertura x Capacidade em ambiente sem fio
É importante frisar que o grande limitante do alcance das atuais redes WLANs
são questões regulamentares (políticas), devido a estas estarem ocupando a faixa
de exploração liberada. Existem padrões WLANs que oferecem serviços com grande
capacidade e cobertura. Quando esta realidade se tornar fato no mercado, a
sociedade começará a pensar em competição entre WLANs e Redes Celulares e
não mais complementariedade, como se pensa hoje.
O mundo WLAN, para
realmente atingir um nível industrial adequado, vem avançando ainda em questões
como segurança, qualidade de serviço (QoS), uso de freqüências apropriadas e
interoperabilidade com redes móveis celulares. Justamente o desfecho sobre o
desenvolvimento do quesito interoperabilidade é o que poderá minimizar as críticas
de mercado à tecnologia apresentada, para que assim se possa avançar mais
expressiva e concretamente no mercado nacional corporativo. Uma das grandes
vantagens que está sendo levantada pelas operadoras é o fato de se poder realizar
os serviços de tarifação integrada entre os dois sistemas, ou seja, uma única conta
com a discriminação dos serviços utilizados e efetivamente cobrados.
Os serviços concentrados em acesso à Internet e Intranet, com grandes taxas
de transmissão, complementam as tecnologias celulares que apresentam uma série
de outros serviços relacionados ao celular e à mobilidade ampla de uma rede móvel.
Rede essa que, no final, poderá ser a melhor opção para minimizar a mobilidade
restrita das WLANs, as quais ainda apresentam dúvidas quanto a um modelo prático
de negócio rentável. Em contrapartida, a utilização das WLANs em redes móveis
podem superar de forma eficiente as limitações de tráfego de dados no acesso rádio
das redes móveis atuais. Por outro lado, uma rede WLAN sendo explorada por uma
116
operadora de telecomunicações apresenta uma certa preocupação politicoeconômica por parte dos órgãos reguladores em várias partes do mundo,
principalmente sobre a qualidade de serviço (QoS) entregue aos usuários, gerando,
em alguns países, uma vontade maior de exigir licenças para instalação de tais
equipamentos. Em outras palavras, em aplicações públicas, as idéias de facilidade
de instalação e rápido aumento do número de hotspots poderão, em determinadas
localidades, não serem mais verdadeiras.
6.3. PROPOSTA DE UTILIZAÇÃO
Como ilustração prática, propõe-se uma situação que torne possível integrar
todos os tipos de serviços de telefonia e dados. Esta situação é ilustrada na FIG. 6.3
onde se observa a convergência de serviços englobando telefonia móvel, telefonia
fixa e serviços de dados em faixa larga residencial ou corporativa, os quais podem
ser tratados em sua última milha (ambiente do usuário) via tecnologia sem fio, com o
uso das WLANs. Esta configuração pode servir de base para análises de casos em
residências, escritórios, empresas, fábricas, clubes, etc.
FIG. 6.3
Previsão sobre integração WLAN com redes móveis e fixa
117
Nota-se na FIG. 6.3 a potencial magnitude de se utilizar a tecnologia WLAN
em conjunto com as redes móveis e fixas. Nesta proposta, a Estação Móvel (EM)
está sendo servida, dentro da área de cobertura WLAN (hotspot), pelo Ponto de
Acesso (AP), realizando e recebendo chamadas celulares e fixas via sistema de
comutação RTPC. Além disso, seja através de celular, PC, laptop, PDA, etc., toda a
região do ponto de acesso (AP) está conectada ao backbone de dados, através de
uma conexão do tipo DSL, que permite através da rede externa (de par metálicos),
realizar tráfego multimídia com conexão em faixa larga. A Estação Móvel (EM) ao
sair do domínio de alcance da micro-célula da WLAN em questão automaticamente
voltará a ser servida pela tradicional estrutura da rede Móvel celular.
Deve ser destacado que o simples fato de se combinar redes móveis
celulares com redes WLAN, possibilita o aumento da capacidade de tráfego de voz
das redes celulares. Isto porque, os usuários de dados da rede poderão ter o serviço
atendidos via WLAN, descongestionando com isso, a ERB que estará liberada para
atender outros usuários na região. Basta apenas, um raciocínio análogo para se
determinar o mesmo tipo de aplicação no âmbito corporativo, que atualmente possui
capacidade de tráfego em média com N feixes de 2Mbps no entroncamento de sua
central de PABX interna com a rede pública via fibra óptica ou cabos metálicos.
Observar que ambas as redes, tanto a fixa quanto a móvel, convergem para uma
única núvem de backbone, facilitando a viabilidade de projeto e unificando as
funções de tarifação, gerenciamento de rede, etc. A FIG. 6.4 a seguir ilustra esta
filosofia.
FIG. 6.4
Exemplificação dos diferentes Backbones em convergência
118
6.4. PROPOSTAS DE HANDOFF PARA A CONVERGÊNCIA
Atualmente os fabricantes e o meio científico, principalmente o IEEE através
do grupo 802.21, estão trabalhando no desenvolvimento e aprimoramento
tecnológico voltado para a convergência entre os diferentes sistemas sem fio
(JOHNSTON, 2004), (WILLIAMS, 2004). Vale ressaltar que estes grupos ainda não
definiram de forma concretizada sobre a normatização de handoffs entre sistemas.
Entretanto, há uma sinergia unânime entre os colaboradores, sobre os aspectos
gerais de funcionamento deste tipo de handoff. A fim de compatibilizar as redes,
adequando aos diferentes perfís e classes dos usuários, tais fabricantes estão
tratando aspectos de handoff entre os sistemas de através de duas hipóteses:
a) O controle sobre a utilização da rede é feito de maneira simples, pela
conveniência do usuário, ou seja, o assinante é quem deve selecionar em qual rede
se conectar e quando, desde que haja condições de acesso na região, objeto de seu
interesse. Nesta situação, a EM informa em qualquer dos casos (rede celular e
WLAN) sobre a condição, qualidade e possibilidade dos acessos sem fio disponíveis
para a região de interesse, para que o usuário selecione a melhor conexão, dentro
de suas expectativas;
b) O controle sobre a decisão entre conectar-se a um sistema ou a outro
ocorre de forma automatizada, por decisão da própria EM através de seus
mecanismos de análise de níveis de Eb/No dos sinais de cada sistema (celular e/ou
WLAN).
6.4.1. ANÁLISE DA CONVERGÊNCIA POR PARTE DAS EMS
O primeiro caso é mais simples e, consequentemente, apresenta menor
custo, tanto para a comercialização da EM, como para a complexidade do ponto de
acesso. Entretanto, corresponde a uma estrutura rígida, onde não há handoff
automatizado entre as redes. A única particularidade relativa à condição de rede
119
híbrida é o emprego de terminais duais (celular / WLAN). É claro que o handoff pode
ser implementado. Porém, implicaria automatização de parte do processo, maior
poder de processamento e decisão na rede por parte das EM, sendo mais lógico
englobar também a operação de conexão à rede, recaindo na hipótese discutida a
seguir.
No segundo caso, a conexão é transparente para o usuário. A EM tenta
inicialmente se conectar à rede de acesso WLAN para provimento de serviço de
dados, através da avaliação de parâmetros QoS em seu sistema interno de
recepção do sinal (análise da relação Eb/No). Sendo possível o estabelecimento de
conexão via WLAN, o processamento de rotinas em camada 2 irá desabilitar a
recepção de dados via rede celular da EM, enquanto esta permanecer em cobertura
WLAN. Entretanto, isto não impede que a rede celular continue trocando
informações sobre controle e comandos com a EM (inclusive informações sobre qual
tipo de serviço está sendo utilizado pelo usuário, até mesmo para fins de tarifação).
Não sendo possível o estabelecimento de conexão via WLAN através da
análise de parâmetros de QoS, automaticamente o sistema irá selecionar a
recepção de dados pela rede de serviços celular disponível. Notar que este artifício
serve de base para viabilizar a proposta de convergência, automatizando o processo
de seleção do sistema a ser utilizado. Para tanto, tendo em vista que terão papel
principal na escolha do serviço mais adequado, as EMs devem possuir maior
capacidade de processamento, inteligência e decisão dentro das redes móveis
celulares. Esta proposta, denominada pelo IEEE de MIH (Midia Independent
Handoff/Handover), em muito se assemelha ao conceito de handoff inserido há
tempos no sistemas celulares digitais, e que permanece atual até os dias de hoje.
Trata-se da técnica MAHO (Mobile Assisted Handoff) apresentada no capítulo sobre
a segunda geração, onde a EM passava a exercer papel principal e essencial nas
decisões de handoffs na rede. Na proposta de convergência com a implementaçào
do MIH, a EM também exercerá um papel fundamental, partindo dela a decisão de
onde, como, quando e em que tipo de acesso sem fio conectar-se. A rede celular
continuará oferecendo um serviço básico e necessário, uma vez que servirá de
referência, principalmente no gerenciamento dos acessos, para as EM operantes em
redes híbridas.
120
Com a finalidade de facilitar a visualização do processo acima descrito, esta
dissertação propõe o fluxograma da FIG. 6.5. Nesta figura estão traçados os
caminhos que o sinal deverá percorrer na EM para atender as condições de
compatibilidade e operabilidade entre as duas redes. Logo a seguir, é detalhada a
função exercida por cada etapa do fluxograma.
FIG. 6.5
•
Fluxograma de processos de estabelecimento de conexão e Handoff
Seletor RF / Detetor WLAN: sistema complexo de recepção, atuante nas
camadas 1 e 2, que desempenha funções de controle de recursos rádio,
seleção de freqüência de operação, filtragem seletiva, tipo de modulação,
handoff intrasistêmico baseado em instruções advindas da rede provedora de
acesso WLAN (entre pontos de acesso do mesmo sistema);
121
•
Decisor baseado em Eb/No (QoS): sistema avaliador de nível de Eb/No do
sinal recebido via sistema WLAN que efetivamente decide sobre a escolha de
que tipo de sistema será utilizado para o download de dados. É elemento
essencial nas rotinas de handoff intersistemas (WLAN e Celular) . É o
elemento fundamental para facilitar processos de MIH, quando a EM estiver
trafegando informações multimídia que necessitem dispor de parâmetros
QoS. Caso a EM esteja em cobertura WLAN, automaticamente, o tráfego de
dados se dará através da estrutura WLAN, pois o próprio decisor desabilitará
o sistema de recepção de dados multimídia via sistema celular. Notar que
este processo não impede que a rede celular continue realizando troca de
informações de controle e gerenciamento com a EM através do sistema
celular, pois apenas a recepção de dados multimídia foi desabilitada para que
seja utilizado este recurso via WLAN;
•
Tratamento de canais lógicos para serviços de dados em WLAN: este
processo de camadas 2 e 3 envolve a conversão de canais lógicos em fisicos
e vice-versa, assim como a definição sobre o tipo de dados multimídia (nível
de prioridade). Adicionalmente, efetua correção de erros na recepção e
introduz entrelaçamento de bits, repetição e perfuração de dados, codificação
de
canal,
etc
na
transmissão
(ver
equivalente
na
seqüência
de
processamento da rede celular);
•
Realimentação para controle de acesso WLAN: o fluxo de realimentação
significa apenas mandar informação discretizada, ao seletor de sistemas, do
tipo ZERO – quando não há QoS para atendimento via WLAN, ou UM –
quando há QoS para atendimento via WLAN. Esta malha de realimentação é
utilizada para nortear o processamento central de aplicação com o
usuário, na camada 3 e 4, no momento da escolha automatizada, realizada
na própria EM sobre o tipo de sistema a ser priorizado na ocasião em que o
usuário quiser iniciar uma conexão multimídia;
122
•
Seletor RF / Detetor Celular: sistema complexo de recepção, atuante nas
camadas 1 e 2, que desempenha funções de controle de recursos rádio,
seleção de freqüência de operação, filtragem seletiva, tipo de modulação,
handoff intrasistêmico baseado em instruções advindas da rede (entre ERBs
e/ou setores do mesmo sistema);
•
Decisor Multimída Celular (DADOS): sistema de análise sobre o tipo de
tráfego de dados que está chegando à EM via sistema celular. No momento
em que a EM estiver em condições de receber/enviar dados multimía através
da WLAN, este decisor apenas permitirá a recepção de informações de
serviços de voz, sinalização e controle via rede celular;
•
Tratamento de canais lógicos para serviços de voz/sinalização e dados
em rede celular; Processamento tradicional de redes celulares: conforme
mostrado na FIG. 6.5, este processo de camadas 2 e 3 precisa ser analisado
como um bloco único em conjunto com o processamento tradicional de redes
celulares. A conversão de canais lógicos em fisicos e vice-versa, assim como
a definição sobre o tipo de dados, se multimídia ou voz/controle, são
realizadas na camada 3. Por outro lado, na camada 2 são efetuados os
processamentos de correção de erros na recepção e entrelaçamento,
repetição e perfuração de dados, codificação de canal na transmissão;
•
Processamento Sinal (Voz/Dados) paraTX em redes Celulares: é o
tratamento dado, de forma ordenada, às informações recebidas dos canais
lógicos para conversão e adequação em canais físicos e vice-versa.
Gerenciamento dos recursos rádio, controle de potência de transmissão,
modulação etc;
•
Processamento Sinal (WLAN) paraTX: é o tratamento dado às informações
recebidas dos canais lógicos para conversão e adequação em canais físicos,
gerenciando recursos rádio, controle de potência de transmissão, modulação,
codificação, etc;
123
•
Amplificador e Seletor de RF (WLAN ou Celular): elemento responsável
pela seleção da freqüência da portadora RF, pela conversão sinal de entrada
em RF e pela amplificação do sinal para a transmissão;
•
Seletor de Sistemas (Processamento Central de Aplicação com o
Usuário): este é o elemento principal de processamento e controle que
permite maior autonomia da EM. Responsável por tomar as decisões, a partir
da EM, sobre qual sistema utilizar (WLAN ou Celular), baseando-se em
critérios de informações que ele recebe das camadas inferiores sobre as
condições das redes, bem como sobre qual tipo de aplicação, demanda de
faixa e QoS necessários para atender o usuário. Graças a este modelo,
mesmo quando uma EM estiver conectada à WLAN, o usuário poderá receber
chamadas telefônicas e realizar trocas de informações de comando, controle
e sinalização através da rede celular;
•
Conversor Analógico/Digital: interface responsável pela compatibilização
homem-máquina e vice-versa, através da tradução adequada da informação
processada na camada de aplicação para o usuário, assim como no
processamento fiel da informação da linguagem do usuário para a linguagem
adequada na camada de aplicação;
•
Início/Fim: interação funcional do usuário, gerando e utilizando aplicações
para que sejam processadas pelo sistema e transmitidas ao destino, seja este
uma máquina ou outro usuário.
6.4.2. ANÁLISE DA CONVERGÊNCIA PELO ASPECTO FÍSICO DA REDE
A análise que deve ser feita para o caso da convergência pelo ponto de vista
da parte fixa da rede, segue a mesma tendência que já há algum tempo, observa-se
nos vários ramos da ciência e tecnologia, principalmente os voltados para
124
comunicações em geral, uma convergência entre todos os diferentes protocolos de
redes com o Protocolo IP, a fim de se compatibilizar e disseminar, cada vez mais, a
utilização do Protocolo IP como o principal meio para transmissão de dados entre
fonte (s) e destino (s). Desta forma, não poderia ser diferente com as redes móveis
de um modo geral. A FIG. 6.6 a seguir, ilustra esta forma de convergência.
FIG. 6.6
Ilustração de convergência entre Backbones das diferentes redes
Deve-se notar da FIG. 6.6 acima, que o backbone das redes móveis deverão
ter características bastante semelhantes aos tradicionais backbones de rede IP,
detalhes estes que já vem sendo adaptados nas redes móveis com a adoção de
roteadores de médio e grande porte, mesmo antes de ser apresentada a
possibilidade de convergência destas redes com as recentes Redes Locais Sem Fio.
Isso ocorre devido à própria tendência de evolução dentro das Gerações Móveis
Celulares, onde há convergência para utilização de protocolos IP.
Desta forma, torna-se imprescindível demonstrar uma provável rotina que
será utilizada pelas redes móveis, a fim de viabilizar esta proposta de convergência
pacífica. Na FIG. 6.7 abaixo, serão detalhados, passo-a-passo os processos de
gerenciamento e controle realizados pelo backbone da parte fixa da rede móvel.
125
FIG. 6.7
Gerenciamento e Controle de Handoff entre sistemas pela parte fixa da rede
Vale ressaltar que todo este processo de troca de informações abordados na
FIG. 6.7 acima, já ocorre em grande parte das redes, sejam móveis ou fixas, que se
encontram conectadas à Internet. Portanto, nesta dissertação não serão abordados
temas detalhados sobre protocolos de rede e endereçamento IP, a fim de não perder
o foco principal da abordagem da proposta de convergência, tendo em vista que
rotinas de negociações para transferência de dados em camada IP já são
amplamente conhecidas e divulgadas.
126
7. ESTUDO DE CASOS
Este Capítulo discute duas situações prováveis de utilização de WLANs com
as principais redes celulares existentes atualmente. Em cada caso são comentados
os aspectos básicos da convergência e uma avaliação da capacidade de
atendimento aos usuários pelas tecnologias em análise.
7.1. CASO 1 – CONVERGÊNCIA ENTRE REDES GSM/GPRS/EDGE E WLANS
Obviamente, estando o usuário na área de cobertura de uma WLAN, a sua
transmissão de dados será sempre atendida por esta rede. No caso de transmissão
de voz ou quando o deslocamento do usuário levá-lo para fora da área da WLAN, o
atendimento passa para a rede GSM/GPRS ou GSM/EDGE. É claro que haverá um
decréscimo da taxa de dados quando o usuário estiver sendo atendido pela rede
GPRS/EDGE. Entretanto, para isso ocorrer, é provável que o usuário esteja com alta
mobilidade ou em regiões de menor demanda para o uso dos serviços de dados, o
que é aceitável sob o ponto de vista operacional da rede.
É evidente que, no caso específico das redes GSM, a melhor combinação,
enquanto técnica de acesso TDMA, será sempre GSM/EDGE + WLAN. Isto se deve
ao fato do sistema EDGE apresentar um desempenho superior ao antecessor GPRS
no que diz respeito à capacidade de transmissão de dados. Partindo deste
raciocínio, deve ser mencionado que, para as atuais redes GSM em operação,
sejam elas GPRS (2G) ou EDGE (3G), provavelmente, não vale a pena realizar
investimento na sua escala evolutiva com a implementação do sistema WCDMA
(3G). Este sistema, por si só, não supera o ganho efetivo que se obtém na
transmissão de dados das WLANs. Uma solução deste tipo tornaria inevitável a
127
necessidade de se combinar também WLANs com sistemas WCDMA de terceira
geração, exarcebando por demais o custo para o operador da rede. Tal investimento
certamente seria um custo a mais a ser absorvido pelos usuários, sob risco de
diminuição na procura pelo serviço, ainda mais com a expectativa real de que, a
Quarta Geração das Redes móveis será desenvolvida sob a ótica das redes sem fio
metropolitanas (WMANs).
Atualmente a opção que soa melhor no mercado, estrategicamente falando, é
a utilização complementar das WLANs, aproveitando a própria rede móvel celular
existente. Por exemplo, GSM/GPRS + WLAN, ou GSM/EDGE + WLAN, ou ainda,
caso haja disponibilidade WCDMA + WLAN. Em primeira aproximação, as soluções
não devem considerar a possibilidade realizar novos investimentos na tecnologia de
acesso das redes móveis celulares, pois estas, mesmo que sejam de terceira
geração, podem estar com os dias contados.
Na avaliação da capacidade de atendimento será considerada a cobertura de
um aeroporto de acordo com os seguintes dados para o sistema GSM/GPRS/EDGE:
Plano de reuso: 3/9;
Usuários por setor: 1000 (800 usuários de voz e 200 de dados);
Faixa disponível: 15 MHz (bandas D ou E);
Número de portadoras GSM: 75;
Número de portadoras por setor: 9 ou 10;
Taxa de transmissão de dados: 100 kb/s;
Tráfego médio por usuário: 25 mErl1.
Com base nestes dados tem-se:
Tráfego de voz: 800 x 0,025 = 20 Erl;
Canais de voz para um grau de serviço de 2%: 28;
Portadoras de voz: 4 (sobram 4 janelas para os canais de controle);
Tráfego de dados: 200 x 0,025 = 5 Erl;
Canais de dados: 10
Portadoras de dados: 5 ou 6 (supondo 4 janelas por canal EDGE).
1
Não existe informação precisa sobre o tráfego médio do usuário de dados. Optou-se por uma
hipótese conservadora que possibilitasse o atendimento adequado pelo sistema EDGE. Observar que
para um tráfego de 25mErl a ocupação média por conexão é de 90s, enquanto a transmissão de 2Mb
com uma taxa de 100kb/s leva apenas 20s.
128
Desta forma, os setores com 10 portadoras serão atendidos
adequadamente, mas nos setores com 9 portadoras o dimensionamento estará no
limite. A utilização complementar de uma rede permitirá dar maior flexibilidade no
atendimento dos usuários. Por exemplo, um sistema de 11 Gb/s, com uma taxa
líquida máxima de 6 Gb/s, pode atender 60 usuários com uma taxa média de
100kb/s. Esta número excede com ampla margem a necessidade acima calculada
para o tráfego de 5 Erl.
7.2. CASO 2 – CONVERGÊNCIA ENTRE REDES CDMA 2000 E WLANS
Neste caso, o estudo é bem mais simples e fundamentalmente mais fácil de
se formalizar um posicionamento a respeito. O sistema CDMA de segunda geração
possibilita que a migração para a 3G (CDMA 2000) ocorra de forma suave e
compatível, permitindo maior flexibilidade ao operador da rede para planejar seu
investimento a médio e longo prazo. Entretanto, mesmo com a 3G CDMA
implementada e operacional, o uso complementar de WLANs em pontos
estratégicos de sua cobertura, torna-se fundamental. A WLAN, por si só, oferece em
sua cobertura, no mínimo o dobro da capacidade de tráfego de dados de qualquer
especificação de rede móvel de 3G em seu melhor caso de atendimento (usuário
estacionado em ambiente interno – 2Mbps).
Desta forma, chega-se à conclusão de que para um ganho efetivo no tráfego
de dados, mesmo havendo a implementação da 3G para as redes CDMA, as
WLANs ainda são uma opção necessária. A estrutura da rede de dados via sistema
CDMA será utilizada unicamente quando o usuário estiver em movimento e fora da
região de cobertura da WLAN. Obviamente que a combinação CDMA 2000 + WLAN
corresponde à situação mais favorável, quando se trata de capacidade de tráfego de
dados pela rede móvel.
Vale ressaltar, que esta dissertação está comparando grandezas iguais (taxa
de dados), em situações completamente diferentes, pelo ponto de vista das
129
condições de propagação. A taxa efetiva de downlink, para usuário parado em
cobertura WLAN (ambiente externo) atende em torno de 4Mbps, enquanto que, para
o usuário em movimento em cobertura de rede celular de segunda geração, a taxa
situa-se em torno de 100kbps. Esta diferença entre as taxas é certamente sensível
ao usuário da rede. No entanto, é aceitável, tendo em vista que, quando o usuário
encontra-se em movimento, sua taxa de dados será sempre de menor valor.
Conforme a própria especificação para a 3G destacada anteriormente, para um em
movimento (200km/h), a taxa deverá ser ordem de 100kbps.
Empresas operadoras de telefonia móvel no Brasil estão trabalhando no
desenvolvimento deste tipo de solução para suas redes. Principalmente nas grandes
operadoras de rede GSM, já existem previsões de utilização de rede híbrida, a fim
de postergar ao máximo, ou até mesmo evitar, a migração de sua rede móvel para o
WCDMA. Segundo especialistas de empresas desenvolvedoras de tecnologias
móveis (sem fio), também já existem modelos de terminais móveis com
compatibilidade de conexão WLAN, apesar de ainda estarem em fase de testes
laboratoriais (não sendo encontrados ainda no mercado).
Na estimativa da capacidade de atendimento será considerada a mesma
situação do caso anterior acrescida das seguintes especificações:
a) Canais de voz: 20 por portadora CDMA;
b) Canais de dados:
b1) Eb/N0 para uma taxa de 100 kb/s: 3,0 dB (∆ = 2);
b2) Fator de atividade de dados (α): 1;
b3) Fator de interferência de outras células: 0,85;
b4) Fator de carga (µ): 0,5.
No que se refere tráfego de voz, foi visto anteriormente que são necessários
28 canais. Portanto, duas portadoras CDMA são suficientes. Relativamente ao
tráfego de dados, o número de canais (M) por portadora é calculado através da
expressão [ref. ],
 G  µ
M = 1 + P  x
 α∆  1 + β
Tem-se então,
130
0,5
 12,3 
M = 1 +
x
≈2

 1x 2  1 + 0,85
No caso da banda A, canalizada com 9 portadoras CDMA, 2 serão utilizadas
para o tráfego de voz e 7 para dados. Desta forma, na suposição de um grau de
serviço de 2%, os 14 canais de dados (2 por portadora) poderão atender um tráfego
de 8,2 Erl. Para a banda B, onde são disponíveis 8 portadoras CDMA, o tráfego será
de 6,62 Erl. Verifica-se então que, independentemente da banda considerada, o
tráfego de dados de 5 Erl será atendido. Vale ressaltar, no entanto, que a condição
de 2 canais de dados calculada acima é otimista, pois o valor exato de M é 1,93.
Caso fosse suposto 1 canal de dados por portadora, o tráfego de 5 Erl não seria
atendido. Mais uma vez, a utilização complementar de uma rede WLAN resolveria
de forma satisfatória o problema.
7.3. CONSIDERAÇÕES ADICIONAIS
Os números apresentados nos dois casos estudados mostram que o uso
combinado do sistema celular com WLAN é adequado para atender áreas com alta
densidade de usuários de dados. É claro que os exemplos descritos, embora
utilizando especificações típicas dos sistemas existentes, ilustram situações fictícias,
pois não foram definidas características da área a ser coberta, tais como,
distribuição geométrica dos espaços e dimensões correspondentes, número de
andares existentes no prédio do aeroporto, etc. Entretanto, caso houvesse mais
detalhes, a importância do sistema WLAN seria destacada, uma vez que a
capacidade do mesmo poderia ser duplicada pela utilizção de um maior número de
células.
131
8. CONCLUSÃO
Esta
dissertação
discutiu
a
convergência
entre
as
tecnologias
de
comunicações móveis celulares de 2ª e 3ª gerações e as redes locais sem fio
(WLANs). Trata-se de uma questão cuja relevância tem crescido recentemente em
função da necessidade cada vez maior de harmonizar a mobilidade dos terminais de
uma rede com a transmissão de taxas elevadas de dados. Em que pese as
dificuldades de se obter informações de caráter prático dos fabricantes de
equipamentos e das operadoras, procurou-se realizar um trabalho que, mantendo-se
aderente à conceituação teórica dos sistemas envolvidos, destacou pontos a serem
considerados no projeto e dimensionamento de redes híbridas (celular / WLAN).
A tendência de aumentar a oferta de capacidade para transmissão de dados
discutida neste trabalho, embora ainda não tenha sido implementada, já está sendo
consideradas pelas grandes operadoras de telefonia móvel. Mesmo no Brasil, onde
as redes celulares têm por base a segunda geração, foram iniciados os processos
de implementação do EDGE e do CDMA 2000 1xEV-DO nas principais capitais
brasileiras, objetivando uma
melhor capacidade e permitindo compatibilidade
reversa, respectivamente, com as redes GSM/GPRS e CDMA existentes. Isto para
que se permita uma forma de convergência mais eficiente, quando estas redes
forem combinadas com WLANs. A intenção é aumentar a vazão de dados quando o
usuário estiver em movimento fora da cobertura de uma WLAN, para que o
descompasso no handoff de uma rede para não tenha um impacto exagerado para o
usuário.
Com a finalidade de estabelecer a base de conhecimento para a análise da
convergência em pauta, os Capítulos iniciais (1 a 5) descreveram aspectos básicos
dos padrões que constituem as redes celulares e locais que operam atualmente de
forma independente. A seguir, o Capítulo 6 tratou detalhes da convergência
propriamente dita, incluindo itens como a categorização dos serviços, a relação
existente entre cobertura e capacidade e culminando com a proposta de
fluxogramas para o estabelecimento de conexão e handoff entre as redes, tanto no
132
sentido terminal móvel para a estação base como na direção contrária. No Capítulo
7 foram desenvolvidos estudos relativos a duas situações específicas envolvendo a
utilização harmônica de WLANs com as principais redes celulares existentes, quais
sejam, as que têm por base os sistemas GSM/GPRS/EDGE e CDM 2000. Tomando
por por base uma taxa de transmissão de 100 kb/s, verificou-se em ambos os casos
que os sistemas celulares considerados poderiam, em princípio, atender uma área
de com alta densidade de usuários de dados. Entretanto, os resultados numéricos
evidenciaram que este atendimento seria em condições limites ou próximas de um
limite, não permitindo aumento significativo da taxa de transmissão caso isto se
fizesse necessário ou a expansão do número de usuários. Concluiu-se então pela
importância da integração das redes celulares com redes WLANs, as quais dariam
cobertura nos pontos prováveis de congestionamento. Por outro lado, como
destacado diversas vezes ao longo do texto, as redes celulares ficariam
responsáveis pelos locais não cobertos pelas WLANs ou quando a mobilidade
passa-se a representar um objetivo a ser atendido.
Embora os resultados apresentados tenham evidenciado a importância da
combinação rede celular/WLAN para as empresas operadora, não existe a
pretensão de que a análise aqui desenvolvida esgotou a questão. Além da
necessidade de equipamentos duais que possibilite a passagem de um padrão para
o outro, no contexto dos futuros sistemas de comunicações móveis existem
inúmeros pontos a serem clarificados para tornar viável esta integração nos
aspectos técnicos, operacionais e mercadológicos. Alguns destes pontos estão
relacionados a seguir e poderão vir a constituir objeto de estudos futuros dando
continuidade à investigação constante da presente dissertação.
a) Realizar simulações englobando situações que sejam mais aderentes à
realidade, incluindo, entre outros aspectos, a descrição do ambiente onde se
processa a propagação dos sinais, um estudo detalhado da relação entre o
tráfego de dados e o número de canais necessários para o atendimento
adequado, o desenvolvimento de um procedimento de cálculo atrelado às
características técnicas dos equipamentos existentes e que sirva de base
para o projeto de sistemas híbridos, etc;
133
b) Formalização e detalhamento de protocolos de sinalização e controle de
handoffs entre redes móveis celulares e WLANs, quando for efetivamente
implementada a utilização híbrida entre as mesmas;
c) Formalização da proposta de gerenciamento de handoffs entre sistemas
celulares e WLANs, quando um usuário se desloca pela rede utilizando
serviços de dados;
d) Desenvolvimento de protocolo superior para gerenciar os procedimentos de
comutação dos protocolos inferiores, de maneira transparente, entre os
sistemas convergentes das futuras gerações de redes móveis.
134
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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136
APÊNDICES - A
137
A.1. PERSPECTIVAS DAS REDES SEM FIO PARA AS GERAÇÕES
MÓVEIS SEGUINTES
Na FIG. A.1 abaixo, tem-se uma idéia histórica sobre todas as etapas
evolutivas das cominucações móveis até a realidade atual. Entretanto, a previsão
sobre o futuro dessas redes está sendo remodelada em tempo récorde, devido aos
fatores diversos já mencionados nos capítulos desta dissertação, principalmente
com o aparecimento de novas tecnologias como a WLAN e o Bluetooth, que
apareceram sem maiores pretensões no cenário das comunicações móveis
celulares, mas sem dúvidas ocupam atualmente uma posição estratégica sobre o
rumo das seguintes etapas a serem cumpridas na história da telefonia celular.
FIG. A.1
Perspectiva de futuro nas comunicações móveis sem fio
A seguir, tem-se um pouco mais de detalhes a respeito do sistema 802.16,
em desenvolvimento pelo IEEE, que busca solucionar problemas atuais de
Interoperabilidade - principalmente com as redes móveis celulares de 2 e 3 geração,
além de melhorar o alcance atual das redes sem fio para prover cobertura em
ambientes externos, de maneira eficiente, propiciando alta taxa de transmissão de
dados para tráfego multimídia.
138
A.1.1. WIMAX – IEEE-802.16
Ainda pouco conhecido no Mercado, o padrão wireless 802.16 está a caminho
de revolucionar a indústria de acesso sem fio em banda larga. O padrão 802.16 é
também conhecido como a interface aérea da IEEE para WMAN, isto é, das redes
metropolitanas sem fios. Esta tecnologia está sendo especificada pelo grupo do
IEEE que trata de acessos de banda larga para última milha em áreas
metropolitanas, com padrões de desempenho equivalentes aos dos tradicionais
meios tais como DSL, Cable modem ou E1/T1.
A FIG. A.2 abaixo apresenta o posicionamento de cada um dos padrões de
acesso sem fio, mostrando do lado esquerdo o padrão IEEE e do lado direito o
padrão ETSI equivalente, desenvolvido na Europa. É importante ressaltar que este
trabalho está sendo baseado nas previsões especificadas pelo IEEE.
FIG. A.2
Os padrões WLAN
Originalmente, o padrão 802.16, que foi ratificado em Dezembro de 2001,
estava focando basicamente as faixas de freqüências situadas entre 10GHz e
66GHz considerando sempre aplicações com linha de visada. A versão 802.16a, que
foi concluída em 2003, passou a focar as aplicações sem linha de visada, dentro das
faixas de freqüência entre 2GHz e 11GHz, considerando também os aspectos de
interoperabilidade com outras redes da família WLAN.
A TAB. A.1 que se segue, apresenta a evolução das especificações do IEEE
para a WMAN .
139
TAB. A.1
Especificações WMAN
A.1.2. WIMAX – FÓRUM
O WIMAX Fórum (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
www.wimaxforum.org é uma organização sem fins lucrativos, formada por
empresas fabricantes de equipamentos e componentes, que tem por objetivo
promover em larga escala a utilização de redes ponto multiponto, operando em
freqüências entre 2GHz e 11GHz, alavancando a padronização IEEE 802.16 e
garantindo a compatibilidade e interoperabilidade dos equipamentos que adotarem
este padrão. O WIMAX Fórum é o equivalente, ao Wi-Fi Alliance, responsável pelo
grande desenvolvimento e sucesso do Wi-Fi em todo o mundo .
O WIMAX é constituído pelas indústrias líderes do setor, que estão
comprometidas com as interfaces abertas e com a interoperabilidade entre os
diversos produtos utilizados no tipo de acesso sem fio em banda larga. Este
poderoso grupo pretende motivar um mercado mais competitivo, através de um
conjunto mínimo de especificações de desempenho da interface aérea, entre os
produtos dos diversos fabricantes, certificando aqueles produtos que atendam a
estas especificações.
Para os operadores de rede, esta interoperabilidade e compatibilidade entre
equipamentos
significa
a
não
dependência
de
um
fornecedor
para
o
desenvolvimento de sua rede.
Para os fabricantes de equipamentos significa menos tipos diferentes de
produtos a desenvolver e a produzir. Para os fabricantes de componentes, significa
140
uma escala de produção muito maior. Para o usuário final significa acesso em banda
larga sem fio cada vez mais velozes e mais baratos.
A.1.3. EXPECTATIVAS DO WIMAX
O WIMAX irá facilitar o desenvolvimento de uma série de aplicações Sem fio
em banda larga, conforme apresentado na FIG. A.3 que se segue:
FIG. A.3
WIMAX ou IEEE-802.16
Estas aplicações são possíveis pelas seguintes características do WIMAX:
Fornecimento de link de dados de NxE1 (com garantia de banda e
parâmetros de QoS) com empresas e grandes corporações;
Fornecimento de link de dados de fração de E1 (nx64kbps com
garantia de banda e parâmetros de QoS) para pequenos empresários e empresas
de pequeno porte;
Fornecimento de link de dados em banda larga, em padrão equivalente
ao ADSL /Cable Modem, atualmente servidos a clientes residenciais;
141
Portabilidade, isto é, o usuário pode transportar seu terminal móvel
(Estação Móvel) sem perder conectividade em uma região atendida pela WMAN
sem, com isso, alterar em nada sua qualidade de serviço;
Instalação da Interface de operação WLAN no modo plug and play;
Cobertura sem linha de visada;
Compatibilidade entre WLANs e WMANs de forma a parecer
transparente para o usuário a transição entre os sistemas, quando este estiver em
movimento;
Compatibilidade para entroncamento entre Backbones das tradicionais
redes fixas e redes móveis celulares com a tecnologia WMAN, permitindo
roteamento de aplicações multimídia, serviços de voz digital e serviços de aplicativos
Web, totalmente compatíveis e transparentes ao usuário. Neste caso, a tarifação
também ocorrerá de forma criteriosa, de acordo com a utilização dos serviços
efetivamente usufruídos por cada usuário.
A.1.4. PREVISÃO DE ESPECTRO PARA O WIMAX
Oficialmente o padrão 802.16a/d está sendo estabelecido para faixa de
freqüências entre 2GHz e 11 GHz, porém existe interesse de utilizá-lo também em
bandas inferiores a 2GHz. Na TAB. A.2 abaixo, são relacionadas algumas das faixas
espectrais, conforme definido pelo FCC dos Estados Unidos, que poderão ser
utilizadas pelo padrão 802.16a/d.
142
TAB. A.2
Espectro WIMAX
143
A.2. EXPECTATIVAS PARA A 4G
Em meio a tantas possibilidades sendo especuladas como sendo a provável
seqüência de evolução das atuais redes móveis celulares, surgem ainda novas
técnicas que reafirmam e mostram com força ainda maior, a expectativa de se obter
no futuro, serviços sem fio com total interoperabilidade e compatibilidade entre as
diversas técnicas emergentes de hoje, que propiciarão serviços com QoS em
qualquer região onde estiver o usuário conectado. Além de permitir que este mesmo
usuário possa selecionar seu tipo de conexão, baseado em parâmetros de QoS para
cada determinado tipo de aplicação.
A ídéia principal é que as gerações móveis sem fio seguintes sejam
provisionadas de forma a permitirem superposição compatível com todas as outras
tecnologias sem fio, permitindo acesso universal e transparente ao usuário móvel,
através de uma única Estação Móvel (EM). O principal objetivo da Quarta geração
móvel, ainda em desenvolvimento, é prover a usuários uma grande variedades de
serviços, com largura de banda variável e QoS durante todo o tempo de conexão e
em qualquer localidade física deste usuário.
Neste caso, interoperabilidade e compatibilidade podem ser definidas como a
capacidade de redes totalmente heterogêneas, poderem oferecer suporte de
roaming entre diferentes tecnologias de acesso sem fio, sempre mantendo os
requisitos mínimo de QoS aos usuários.
Para tanto estão em desenvolvimento e aprimoramento, nos diversos meios
acadêmicos e de pesquisa, técnicas diversas que possibilitarão o incremento
esperado e necessário das taxas de dados das atuais redes móveis celulares, que
atualmente passam por grande descrença em sua potencialidade de evolução,
frente às pequenas espectativas de capacidade de tráfego de dados em sua 3G, em
comparação com as potentes e competentes WLANs. Apesar de estas ainda
possuírem poucos recursos de segurança e garantia de QoS em relação àquelas.
144
Entretanto, deve ser ressaltado que as Redes Móveis Celulares já atingiram
quase três décadas de existência, enquanto que as WLANs têm apenas pouco mais
de meia década, já apresentando grandes avanços atualmente nestes aspectos.
Dentre as tecnologias em grande evidência que possivelmente farão parte
deste cenário da 4G, pode-se citar a UWB (Ultra Wideband) ou Banda Ultra-Larga;
técnicas MIMO (Multiple Input Multiple Output) ou múltiplas entradas e múltiplas
saídas, além das técnicas OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) ou
Multiplexação por Divisão de Freqüências Ortogonais.
A.2.1. UWB
Nos últimos 20 anos, o UWB foi utilizado em aplicações de radar,
sensoriamento, comunicações militares e nichos específicos de aplicações. Em
2002, houve uma tremenda mudança neste panorama quando o FCC determinou
que o UWB também poderia ser utilizado em aplicações comerciais para
comunicações de dados pessoais.
A faixa espectral inicialmente alocada para o uso do UWB era em torno de
7,5GHz, relativamente distante de qualquer faixa de RF terrestre para uso comercial.
Os sistemas sem fio UWB podem oferecer taxas de dados da Ordem de
dezenas Gigabits por segundo em curtas distância (até 5 metros) sem utilizar, para
tanto, translação (modulação) em freqüência, ou seja, tudo ocorre em banda básica.
Todas estas características intrínsecas do UWB o tornam muito atraente.
Principalmente por trabalhar em banda básica, os equipamentos transceptores são
muito menos complexos e sem necessidades de possuírem dispositivos lineares de
amplificação de sinais.
Está técnica utiliza pulsos UWB de baixa energia concatenados para
transportar bits de informação. A medida em que se distanciem, a fonte e o destino,
é necessário que se aumente o número destes pulsos, para se poder representar o
145
mesmo bit de informação. Para distâncias da ordem de 20 metros, o UWB não
proporciona taxas de dados de maneira eficiente, se comparados a WLANs atuais.
O UWB representa hoje uma enorme expectativa para sistemas sem fio tipo
Ad Hoc e ponto a ponto (bluetooth). Ver FIG. A.4 abaixo que mostra as
possibilidades de utilização previstas para o UWB.
FIG. A.4
Aplicações previstas para o UWB
Da FIG. A.4, pode-se notar fundamental utilização de sistemas UWB em
Redes Locais Pessoais, redes Ad hoc, sistemas ponto a ponto, etc.
Ainda neste contexto, pode-se citar algumas vantagens do uso de sistemas
UWB:
•
Baixo custo e complexidade;
•
Sinal apresenta características próximas de ruído. Ainda sob avaliação
os efeitos de se utilizar sistemas UWB simultaneamente com outros sistemas RF em
mesma faixa, sem que haja interferência entre eles.
•
Resistente aos efeitos de Multipercurso;
•
Possui excelente resolução no domínio do tempo, permitindo realizar
precisos mecanismos de localização, procura e sincronização. Neste último caso,
melhor do que a sincronização obtida com redes GPS.
146
A.2.2. TÉCNICA MIMO (MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT)
Estima-se que somente as faixas de freqüências atualmente disponíves para
serviços móveis terrestres não serão suficientes para que se atinja a grande
demanda gerada por serviços de dados sem fio. Além disso, Espectro de freqüência
representa significativo investimento de capital, já observado na implementação da
3G em alguns países da europa. Sendo assim, provedores de serviços sem fio
precisam otimizar o retorno do seu investimento aumentando a capacidade de seus
sistemas celulares.
Desta forma foi desenvolvida a técnica MIMO, que utiliza um arranjo ou
conjunto
de
antenas
tanto
na
recepção
quanto
na
transmissão,
que
simultaneamente oferece ao sistema diversidade temporal e epacial. Esta técnica
provê grande melhora na eficiência espectral dos sistemas de comunicações
pessoais móveis, provendo melhoras na capacidade dos sistemas e extensão da
faixa a um baixo custo, se comparado a utilização de técnicas de setorização ou
redução de raio das células.
Basicamente, a técnica MIMO consiste em um conjunto de antenas
inteligentes que melhoram a eficiência na transmissão e recepção de um sistema
transceptor sem fio.
A.2.3. ANTENAS INTELIGENTES (SMART ANTENNAS)
Antenas Inteligentes são antenas desenvolvidas com inteligência de
algorítmos complexos que determinam a diretividade, de maneira ótima, do feixa de
um conjunto de antenas (ARRAY) para determinada região de interesse, a fim de
que se possa melhorar as características de desempenho dos sistemas móveis, de
147
forma a fazer com que o nível do sinal do feixe das ERB acompanhem seus usuários
móveis, melhorando o limiar de recepção, melhorando também com isso, a
capacidade de comunicação em maiores distâncias.
Consequentemente, com esta inovadora técnica de uso das antenas
inteligentes, consegue-se em experimentos laboratoriais melhorar, em razoáveis
percentuais, a vazão de dados de sistemas móveis de terceira geração, onde a
relação Eb/No (Energia de bit por Nível de Ruído) é quem determina o limiar da taxa
de dados em que poderá o usuário trafegar a cada instante.
A.2.4. OFDM (ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING)
O OFDM é uma forma especial de transmissão multiportadora onde a um
único feixe de dados de alta velocidade é transmitido através de um número
determinado de subportadoras de menores taxas. Esta técnica já existe desde os
anos 60 em aplicações militares de altas freqüências. Recentemente o OFDM voltou
a entrar em evidência como solução comercial para Serviços Sem Fio em Banda
Larga, em virtude de avanços tecnológicos atingidos industrialmente com a
integração em escala muito grande (VLSI), que torna o chips de Transformada
Rápida de Fourier (FFT) comercialmente viável. Dentre outras vantagens, pode-se
dizer que:
•
O OFDM é bastante robusto contra o desvanecimento multipercurso e
interferência intersimbóbilca;
•
O OFDM permite utilizar eficientemente o espectro de rádio-
freqüências disponível, através do uso de modulação adaptativa e alocação de
potência pelas subportadoras, que são casadas com as condições do canal
submetido a variação lenta, utilizando procesamento de sinal digital programável;
148
•
O OFDM possui robustez contra interferências que atingem uma larga
faixa de freqüências, pois tais interferências somente afetam uma pequena fração
das subportadoras. O OFDM não precisa ter faixa contínua de freqüência para
operar. O quanto mais distante forem as freqüências das subportadoras, o quanto
mais eficiente e robusto será o sistema OFDM;
O OFDM torna possível a criação de Redes com freqüência única, o que é
particularmente atraente para aplicações Ponto-Multiponto.
149
GLOSSÁRIO – TERMOS TÉCNICOS E EXPRESSÕES USADAS
Access Point, ou Ponto de
acesso (AP)
Equipamento transceptor sem fio de uma WLAN.
AMPS
Advanced Mobile Phone System, ou Sistema Telefônico Móvel Avançado.
Considerado a primeira Geração celular (sistema analógico).
Backbone
Do inglês significa espinha dorsal, no vocabulário tecnológico significa
estrutura principal de uma rede de dados.
Backoff Delay
Espera que uma EM aguarda até reiniciar probes de acesso.
Blank and Burst
Vazio e Rajada. Significa que parte da informação útil é retirada (Blank) para
serem inseridas informações de controle (Burst). Há perda de informação
entre usuários, entretanto, na maioria das vezes é imperceptível.
CDMA
CDMA 2000
Core Network
Direct Sequency (DS)
Downlink
Download
DRNC
Dual mode
Code Division Multiple Access, ou Acesso Múltiplo por Divisão em Código.
Considerado a evolução 3G dos sistemas CDMAs 2G (IS-95).
Rede Principal.
Seqüência Direta.
Enlace de descida. Em comunicações móveis chama-se Enlace Direto.
Nome utilizado para significar a baixa de dados através de uma rede.
Drift RNC, ou Auxiliar RNC.
capacidade de operar em dois sistemas diferentes.
EDGE
Enhanced Data Rates for GSM Evolution. Considerado um sistema de 3G
para o GSM moderado/limitado.
ERB
Estação Rádio-Base.
EM
Estação Móvel ou Terminal Móvel. Equipamento utilizado pelo usuário final
para usufruir serviços móveis. Atualmente estão sendo considerados laptops,
Palmtops, celulares, etc.
FCC
FDMA
Frequency Hopping (FH)
Gateway
GGSN
GPRS
GSM
Federal Communications Comission, ou Comissão Federal de
Comunicações. Órgão regulatório das comunicações norte-americanas.
Frequency Division Multiple Access, ou Acesso Múltiplo por Divisão de
Freqüência.
Saltos em Freqüências.
Porta de passagem.
Gateway GPRS Support Node.
General Packet Radio System – Corresponde a solução de 2G para tráfego
de dados em sistemas GSM.
Global System for Mobile Communication.
Handoff
Termo utilizado em comunicações móveis para significar a rotina de
processos complexa que ocorre quando uma EM muda de uma célula
atendida por uma determinada ERB, para outra célula atendida por outra
ERB do mesmo sistema. É devido a este processo que é possível manter
uma comunicação em curso quando a EM está em movimento.
Hotspot
IDLE
IEEE
Indoor
ISP
Região delimitada onde há cobertura de uma rede local sem fio (WLAN).
Módulo de uso em espera.
Instituto de Engenharia Elétro-eletrônica.
Ambiente Interno.
Internet Service Provider ou, Provedor de Acesso a Internet.
150
OFDM
Offset
Outdoor
Paging
Probes
PWLAN
Rake Receiver
Rate Set
RNC
Roaming
SGSN
Spread Spectrum (SS)
SRNC
Standby
TDMA
Throughput
Timeslots
UMTS
Orthogonal Frequency Division Multiplexing, ou Multiplexação por Divisão em
Freqüências Ortogonais.
retardo, atraso.
Ambiente externo.
termo utilizado em comunicações que significa busca.
Tentativas de acesso.
Public WLAN, ou WLAN pública.
Receptor tipo ancinho. Usado em sistemas CDMA.
Conjunto/grupo de taxas.
Radio Network Controller, ou Controladora da rede-rádio.
termo utilizado para significar cobertura, ou seja, áreas de atendimento no
serviço sem fio prestado.
Serving GPRS Support Node.
Espalhamento Espectral.
Serving RNC, ou RNC Servidora.
Módulo de uso em espera.
Time Division Multiple Access, ou Acesso Múltiplo por Divisão no Tempo.
Vazão.
Janelas de tempo. Geralmente utilizado em temas relacionados a técnicas
TDM.
Universal Mobile Terrestrial System, ou Sistema Universal Móvel Terrestre.
Uma outra nomenclatura para o WCDMA.
Uplink
Enlace de subida. Em comunicações móveis chama-se Enlace Reverso.
Upload
Nome utilizado para significar a subida de dados através de uma rede.
WCDMA
WECA
Wi-Fi
Wi-FI Alliance
WIMAX
WideBand Code Division Multiple Access, ou Acesso em Banda Larga
Múltiplo por Divisão em Código. Considerado sistema de 3G na evolução da
rede GSM.
Wireless Ethernet Compatibility Alliance, ou Aliança para Compatibilidade
entre Redes Ethernet Sem Fio.
Wireless Fidelity. Uma especificação de WLAN.
Aliança WI-FI.
Worldwide Interoperability for Microwave Access, ou Acesso em Microondas
com Compatibilidade e Alcance Mundial.
WLAN
Wireless Local Área Network, ou Rede Local Sem Fio.
WMAN
Wireless Metropolitan Área Network, ou Rede Metropolitana Sem Fio.
WRC2003
World Radiocommunication Conference – 2003, ou Conferência Mundial de
radiocomunicações – 2003.
151